James Robert Glass. / Also issued as Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1988. / Includes bibliographical references. / Supported by the National Sciences and Engineering Research Council of Canada and the Defense Advanced Research Projects Agency.

En aquesta tesi es presenta la Teoria del Gradient de Densitat (DGT) [van der Waals, 1894] combinada amb una Equació d'Estat (EoS) amb base molecular la soft-SAFT [Blas i Vega, 1997], per predir de forma simultània el comportament de l’equilibri de fases i les propietats interfacials dels fluids industrials més significatius, lluny i prop de la regió crítica. Com qualsevol mètode estadístic ha de ser validat amb les dades de simulació existents en la literatura, ja que se suposa que els mètodes més precisos per descriure el comportament de la matèria en si mateixa són els mètodes de simulació. Una vegada que el model ha estat validat aquest es pot aplicar per calcular simultàniament l’equilibri de fases i les propietats interfacials dels fluids industrials seleccionats. El model ha estat provat amb fluids moleculars com els Lennard-Jones i amb fluids purs: n-alcans, alcohols, líquids iònics, refrigerants, nitrils, aigua, diòxid de carboni i d’altres molècules inorgàniques. Un pas endavant s'ha fet en el càlcul de les propietats interfacials de les mescles binàries d'interès industrial de compostos associants i no associants també d'una manera predictiva, evitant la necessitat d'ajustos addicionals. Les prediccions obtingudes amb la DGT + soft-SAFT s'han comparat amb les dades de simulació molecular i les dades experimentals disponibles, a més s'han obtingut tres correlacions pel paràmetre influència en funció del nombre de carbonis dels compostos. Aquestes s'han proposat pels alcans lleugers, els alcohols i una família de líquids iònics. Quan aquest pas s'aconsegueix, els models estan disponibles mitjançant paràmetres transferibles per predir el comportament d'altres compostos de la mateixa família, sèrie o amb propietats físiques similars. Per obtenir més informació sobre els fenòmens interfacials dels líquids iònics, mitjançant l'acoblament de la soft-SAFT amb la DGT hem predit la temperatura, la densitat i la pressió crítica dels líquids iònics més comuns. Aquesta és la primera vegada que una EoS és acoblada a la DGT per calcular simultàniament la tensió interfacial a temperatures elevades, mentre que captura el comportament asimptòtic prop de la regió crítica. A més, les propietats de la superfície, com l'entropia i l'entalpia de superfície, s'han derivat a partir de la dependència de la tensió superficial amb la temperatura, els resultats trobats estan d'acord qualitativament amb els valors reportats a la literatura tant de dades de simulació com de les contribucions experimentals. Finalment un estudi dels diferents perfils de densitat, incloent fluids purs i diferents tipus de mescles binàries, s'ha dut a terme per completar la revisió dels fenòmens interfacials. Així mateix es presenten perfils de densitat amb fenòmens d'absorció i desorció en la interfase, els quals són de gran importància en els processos de transport i producció. Aquesta tesis ha demostrat que l'acoblament d'una Equació d’Estat amb base molecular, la soft-SAFT [Blas i Vega, 1997] amb la teoria del Gradient de Densitat [van der Waals, 1894], és un mètode elegant per predir les propietats interfacials de compostos associants i no associants, així com de les seves mescles, amb un esforç computacional molt minse. / En esta tesis doctoral se presenta la Teoría del Gradiente de Densidad (DGT) [van der Waals, 1894] combinada con una Ecuación de Estado (EoS) con base molecular la soft-SAFT [Blas y Vega, 1997], para predecir de forma simultánea el comportamiento del equilibrio de fases y las propiedades interfaciales de los fluidos industriales más representativos. Como todo método estadístico tiene que ser validado con los datos de simulación existentes en la literatura, ya que se supone que los métodos más precisos para describir el comportamiento de la materia en sí misma son los métodos de simulación. Una vez que el modelo ha sido validado, se ha aplicado para calcular simultáneamente los equilibrios de fases y las propiedades interfaciales de los fluidos industriales más representativos, tanto lejos como cerca de la región crítica. El modelo ha sido probado con fluidos moleculares como Lennard-Jones y con fluidos puros: n-alcanos, alcoholes, líquidos iónicos, refrigerantes, nitrilos, agua, dióxido de carbono y otras moléculas inorgánicas. Un paso adelante se ha hecho el cálculo de las propiedades interfaciales de las mezclas binarias de interés industrial de compuestos asociantes y no asociantes también de una manera predictiva, evitando la necesidad de ajustes adicionales. Las predicciones obtenidas con la DGT + soft-SAFT se han comparado con los datos de simulación molecular y los datos experimentales disponibles, además se han obtenido tres correlaciones del parámetro influencia como una función del número de carbono de los compuestos. Estas se han propuesto para los alcanos ligeros, los alcoholes de cadena corta y una familia de líquidos iónicos. Una vez que este paso se logra, los modelos se pueden utilizar con parámetros transferibles para predecir el comportamiento de otros compuestos de la misma familia, serie o con propiedades físicas similares. Para obtener más información sobre los fenómenos interfaciales de los líquidos iónicos, mediante el acoplamiento de la soft-SAFT con la DGT hemos predicho la temperatura, la densidad y la presión crítica de los líquidos iónicos más comunes. Esta es la primera vez que una EoS es acoplada a la DGT para calcular simultáneamente la tensión interfacial a temperaturas elevadas, mientras que captura el comportamiento asintótico cerca de la región crítica. Además, las propiedades de la superficie, como la entropía y la entalpía de superficie, se han derivado a partir de la dependencia de la tensión superficial con la temperatura, los resultados encontrados están de acuerdo cualitativamente con los valores reportados en la literatura tanto de datos de simulación como de las contribuciones experimentales. Finalmente un estudio de los distintos perfiles de densidad, incluyendo fluidos puros y diferentes tipos de mezclas binarias, se ha llevado a cabo para completar la revisión de los fenómenos interfaciales. Asimismo se presentan algunos perfiles de densidad con fenómenos de absorción y desorción en la interfase, dado que estos son de gran relevancia tanto para el control de procesos como para el transporte de gases y fluidos. En esta tesis se demuestra que el acoplamiento de una Ecuación de Estado con base molecular, la soft-SAFT [Blas y Vega, 1997] con la teoría del Gradiente de Densidad [van der Waals, 1894], se presenta como un método elegante para predecir las propiedades interfaciales de compuestos asociantes y no asociantes, así como de sus mezclas, con un mínimo esfuerzo computacional. / In this PhD thesis, the Density Gradient Theory (DGT) [van der Waals, 1894] combined with a molecular-based Equation of State (EoS); the soft-SAFT [Blas and Vega, 1997], was applied to simultaneously predict the phase behavior and the interfacial properties of industrial relevant fluids. As the equation is based in statistical mechanics, its approximations and assumptions were assessed against simulation data for the same underlying model. Once the model was validated, it was applied to simultaneously calculate the phase equilibria and the interfacial properties of some of the most representative industrial fluids, far from and close to the critical region. In particular, the model has been tested with molecular model fluids as Lennard-Jones chains, giving excellent agreement with simulation data, and then applied to different pure fluids, including: n-alkanes, light alkanols, ionic liquids, refrigerants, nitriles, water, carbon dioxide and ammonia, among others. A step forward has been done by calculating the interfacial properties of the binary mixtures of industrial interest, with associating and nonassociating compounds, in a predictive manner, avoiding the need of additional fitting, and providing information for systems for which there is not experimental data available. In addition, three correlations of the influence parameter as a function of the carbon number have been proposed for the light alkanes, light alkanols and one ionic liquid family, allowing for predictions of properties of compounds not included in the fitting procedure. A final novel contribution of this Thesis work is the prediction of the critical temperature, density and pressure of the most common used ionic liquids by using soft-SAFT coupled with the DGT. This is to our best knowledge the first time that an EoS is coupled to the DGT to calculate simultaneously the interfacial tension at elevated temperatures, while capturing the asymptotic behavior as the critical region is approached. Moreover, the surface properties, such as surface entropy and surface enthalpy, have been derived from the surface tension dependence on temperature, finding a very good agreement with the values reported in the literature from simulation and experimental contributions. Finally, a throughout study of the different density profiles, including single fluids and different binary mixtures, has been carried out to complete the description of the interfacial phenomena. Absorption and desorption density profiles are also presented given their importance in transport and process control. The work developed here demonstrates that coupling an accurate molecularbased equation of state for phase properties, the soft-SAFT equation, with a simple and accurate theory for interfacial properties, the Density Gradient Theory, is a reliable tool to simultaneously predict the phase and interfacial properties of nonassociating and associating compounds, as well as their mixtures with a very slight computational effort and great accuracy.

Esta tesis doctoral proporciona un giro alternativo en dos temas relacionados: la energética de las sociedades humanas (el enfoque), y el uso de la energía nuclear para producir electricidad (el tema). En primer lugar, en relación a los aspectos teóricos, proporciona procedimientos alternativos basados en una nueva formulación de la energética para generar un análisis eficaz de la energética de las sociedades humanas. En segundo lugar, en relación con la aplicación práctica, se realiza una evaluación integrada de la energía nuclear sobre la base de una representación alternativa del "sistema de la energía nuclear" con el objetivo de garantizar la calidad de la evaluación de la energía nuclear, tanto en el lado descriptivo como en el lado normativo. De este modo, el presente trabajo tiene la intención de mejorar la calidad de las discusiones científicas sobre los problemas de suministro de energía, y al mismo tiempo, comprender mejor los problemas sistémicos asociados con el uso a gran escala de la energía nuclear. En los últimos años, el renovado interés de la comunidad científica sobre los problemas de suministro de energía se convierte en una desesperada búsqueda de fuentes alternativas de energía. Sin embargo, la realización de la valoración crítica del potencial de las fuentes de energía alternativas para alimentar a las sociedades modernas requiere gestionar los problemas sistémicos del análisis convencional de la energía, de una vez por todas. En primer lugar, al confrontarse a las transformaciones de la energía de los sistemas vivos, como las sociedades humanas, requiere la adopción de un enfoque de "pensamiento complejo de los sistemas" debido a la inevitable coexistencia de múltiples dimensiones relevantes y múltiples escalas pertinentes. Esta “inconmensurabilidad técnica” en la parte descriptiva implica el abandono del uso de las simplificaciones excesivas del reduccionismo que consisten en protocolos de generación de números basados en la adopción de solo una escala y una dimensión a la vez. En segundo lugar, al deliberar sobre cuestiones de sostenibilidad hay una obvia existencia de diferentes actores sociales - diferentes narradores potenciales – que expresan sus opiniones no equivalentes, pero legítimas, sobre una misma cuestión basadas en sus valores, creencias y objetivos. Este problema de “inconmensurabilidad social” en la parte normativa es particularmente evidente cuando se considera el caso de la energía nuclear en la discusión sobre las fuentes alternativas de energía. De hecho, uno encuentra fácilmente percepciones diferentes - e incluso contrarias - sobre la viabilidad y conveniencia de esta tecnología, un hecho que está en el origen de su controversia sistémica. Esta situación refleja la imposibilidad de generar una percepción compartida entre los actores sociales sobre el uso de esta tecnología como una fuente de energía alternativa viable y deseable. El caso de la energía nuclear proporciona un muy buen ejemplo de por qué las fuentes de energía alternativas no pueden ser tomadas como algo viable y deseable "por defecto". De hecho, esta tesis indica que sólo podemos deliberar acerca de la viabilidad y conveniencia de fuentes alternativas de energía a través de una "evaluación integrada participativa", lo que obliga a revisar el papel de los científicos cuando se utiliza la ciencia para la gobernabilidad. Palabras claves: Ciencia interdisciplinaria, Ciencia para la gobernabilidad, Contabilidad de energía, Energética compleja, Energía nuclear, Evaluación integrada multi-escala, Evaluación de la sostenibilidad, Fuentes alternativas de energía, Metabolismo de las sociedades, Problemas de suministro de energía, Sistemas de suministro de electricidad / This doctoral dissertation provides an alternative take on two related topics: the energetics of human societies (the approach), and the use of nuclear energy to make electricity (the issue). First, in relation with theoretical aspects, it provides alternative procedures based on a new formulation of energetics to generate effective analysis of the energetics of human societies. Second, in relation with practical application, it performs an integrated assessment of nuclear power based on an alternative representation of the “nuclear energy system” aimed at guaranteeing the quality of the assessment of nuclear power both on descriptive and normative sides. By doing so, the present work intends to improve the quality of the scientific discussions over energy-supply issues, and at the same time, to better understand the systemic problems associated with the large-scale deployment of nuclear power. In recent years the revived interest from the scientific community over energy-supply issues was turned into a desperate search for alternative energy sources. Yet, performing the critical appraisal of the potentiality of alternative energy sources to power modern societies requires first handling the systemic problems of conventional energy analysis once and for all. First, dealing with the energy transformations of living systems such as human societies requires adopting a ‘complex systems thinking’ approach due to the unavoidable co-existence of multiple relevant dimensions and multiple relevant scales. This “technical incommensurability” on the descriptive side implies abandoning the use of the excessive simplifications of reductionism consisting in protocols generating numbers based on the adoption of one scale and one dimension at the time. Second, when deliberating over sustainability issues there is an obvious existence of different social actors – different potential story tellers – expressing non-equivalent but legitimate perceptions of the same issue based on their values, beliefs and goals. This problem of “social incommensurability” on the normative side is particularly evident when considering the case of nuclear power in the discussion over alternative energy sources. In fact, one easily finds contrasting – and even opposite – perceptions over the viability and desirability of this technology, a fact which is at the origin of its systemic controversy. This situation reflects the impossibility to generate a shared perception between social actors over the use of this technology as a viable and desirable alternative energy source. The case of nuclear power provides a very good example why alternative energy sources cannot be taken as desirable and viable “by default”. In fact, this dissertation indicates that we can only deliberate about the viability and desirability of alternative energy sources by means of “participatory integrated assessment”, which forces revisiting the role of the scientist when using science for governance

Tesi per compendi de publicacions / The study of thermal convection in rotating spherical geometry is fundamental to explain many geophysical and astrophysical phenomena such as the generation of the magnetic fields, or the differential rotation observed in the atmospheres of the major planets. The difficulties associated with the experimental studies enhance the importance of the three-dimensional numerical simulations, such as those presented in this dissertation. In order to obtain the evolution equations, the Boussinesq approximation is applied to the mass, momentum and energy conservation equations, which are rewritten in terms of toroidal and poloidal potentials. Together with the temperature field, they are expanded in spherical harmonics over the sphere, and in the radial direction a collocation method is used. Semi- implicit schemes, based in backward differentiation formulae (IMEX-BDF), implemented with order and time step control (VSVO), are used for time integration. Applying non-slip boundary conditions with internal heating and very low Prandtl numbers (ratio between the thermal diffusive and the viscous time scales), one of the first exhaustive analysis of the linear stability of the conductive state has been performed. In addition, the existence of preferred polar antisymmetric modes at the onset of convection for high rotation rates has been described. A study of the efficiency of different high order time integration schemes, either with fixed time-step or VSVO, has been carried out. In our own time evolution codes we apply the IMEX-BDF formulae with an explicit treatment of the nonlinear terms of the equations. The use of 'matrix-free' methods allows the implicit treatment of the Coriolis term, and makes the implementation of a step and order control easier. The results show that the use of high order methods, especially those with time-step and order control, increase the efficiency of the time integration, and allows to obtain more accurate solutions. Finally, at low Prandtl number, and with non-slip boundary conditions, the nonlinear dynamics is deeply explored by means of temporal evolutions. The type of solutions is described, and the nonlinear mean flow properties are studied. Using parameters as close as possible to those of the Earth's outer core, the numerical simulations are compared with laboratory experiments and realistic measurements. / L'estudi de la convecció tèrmica en geometria esfèrica en rotació es fonamental per explicar molts fenòmens geofísics i astrofísics, com la generació de camps magnètics, o la rotació diferencial observada en l'atmosfera dels planetes majors. Les dificultats associades amb els estudis experimentals afavoreixen que les simulacions numèriques tridimensionals, com les que es presenten en aquesta memòria, siguin una eina molt important en aquest camp. Per a l'obtenció de les equacions d'evolució, s'aplica l'aproximació de Boussinesq a les equacions de conservació de la massa, la quantitat de moviment i l'energia, i es reescriuen en funció dels potencials toroidal i poloidal. Els potencials i la temperatura es desenvolupen, sobre l'esfera, en harmònics esfèrics i en la variable radial s'usa col·locació. Per a la integració es fan servir esquemes semi-implícits, que en el nostre cas, estan basats en les fórmules de diferenciació regressiva (IMEX-BDF), que s'han implementat amb control d'ordre i pas (VSVO). En primer lloc, sota condicions de contorn d'adherència, calentament intern i nombre de Prandtl (quocient entre les escales de temps de difusió tèrmica i viscosa) molt baix s'ha realizat un dels primers anàlisis exhaustius de l'estabilitat lineal de l'estat conductiu, gràcies a la millora dels mètodes numèrics emprats. Així mateix, s'ha descrit per primera vegada l'existència de modes polars antisimètrics a l'inici de la convecció amb rotacions elevades. En segon lloc s'ha realizat un estudi de l'eficiència de diferents integradors temporals d'ordre alt, amb pas fix o VSVO. En els nostres propis codis temporals apliquem les fórmules IMEX-BDF amb un tractament explícit dels termes no lineals de les equacions. L'ús de mètodes 'matrix-free' fa rentable el tractament implícit del terme de Coriolis i facilita la implementació d'un control d'ordre i pas temporal adequat. Els resultats mostren que amb ordre elevat, amb o sense control de pas i ordre, s'incrementa l'eficiència de la integració i s'obtenen solucions més acurades. Finalment, amb nombre de Prandtl baix i condicions de contorn d'adherència, s'explora exhaustivament la dinàmica no lineal mitjançant evolucions temporals, tot descrivint el tipus de solucions. També s'estudien les propietats mitjanes de fluxos no lineals. Utilizant paràmetres el més similars possible als del nucli extern de la Terra es comparen els resultats de les simulacions numèriques amb experiments de laboratori i amb medicions de situacions reals.

This thesis aims at unifying two distinct branches of work within the Heat Transfer Technological Center (CTTC). On one side, extensive experimental work has been done during the past years by the researchers of the laboratory. This experimental work has been complemented with numerical models for the calculation of fin and tube heat exchangers thermal and fluid dynamic behavior. Such numerical models can be referred to as fast numerical tool which can be used for industrial rating and design purposes. On the other hand, the scientists working at the research center have successfully developed a general purpose multi-physics Computational Fluid Dynamics (CFD) code (TermoFluids). This high performance CFD solver has been extensively used by the co-workers of the group mainly to predict complex flows of great academic interest. The idea of bringing together this two branches, comes from the necessity of a reliable numerical platform with detailed local data of the flow and heat transfer on diverse heat exchanger applications. Being able to use local heat transfer coefficients as an input on the rating and design tool will lead to affordable and accurate prediction of industrial devices performance, by which the center can propose enhanced alternatives to its industrial partners. To accomplish these goals, several contributions have been made to the existing TermoFluids software which is in continuous evolution in order to meet the competitive requirements. The most significant problematics to adequately attack this problem are analyzed and quite interesting recommendations are given. Some of the challenging arising issues involve the generation of suitable and affordable meshes, the implementation and validation of three dimensional periodic boundary condition and coupling of different domains with important adjustments for the study of cases with different flow physics like time steps and thermal development. Turbulence is present in most of engineering flows, and refrigeration evaporator heat exchangers are not an exception. The presence of many tubes (acting like bluff bodies for the flow) arranged in different configurations and the fact that the flow is also confined by fins, create complex three dimensional flow features that have usually turbulent or transition to turbulent regime. Therefore, three dimensional turbulent forced convection in a matrix of wall-bounded pins is analyzed. Large Eddy Simulations (LES) are performed in order to assess the performance of three different subgrid-scale models, namely WALE, QR and VMS. The Reynolds numbers of the study were set to 3000, 10000 and 30000. Some of the main results included are the pressure coefficient around the cylinders, the averaged Nusselt number at the endwalls and vorticity of the flow. The final part of the thesis is devoted to study the three dimensional fluid flow and conjugated heat transfer parameters encountered in a plate fin and tube heat exchanger used for no-frost refrigeration. The numerical code and post processing tools are validated with a very similar but smaller case of a heat exchanger with two rows of tubes at low Reynolds for which experimental data is available. The next analysis presented is a typical configuration for no-frost evaporators with double fin spacing (for which very few numerical data is reported in the scientific literature). Conjugated convective heat transfer in the flow field and heat conduction in the fins are coupled and considered. The influence of some geometrical and flow regime parameters is analyzed for design purposes. In conclusion, the implementations and general contributions of the present thesis together with the previous existent multi-physics computational code, has proved to be capable to perform successful top edge three dimensional simulations of the flow features and heat transfer mechanisms observed on heat exchanger devices. / Esta tesis tiene como objetivo unificar dos ramas de trabajo dentro del Centro Tecnológico de Transferencia de Calor (CTTC). Por un lado, se ha realizado un amplio trabajo experimental durante los últimos años. Este trabajo experimental se ha complementado con modelos numéricos para el estudio de intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo. Tales modelos numéricos pueden considerarse una herramienta numérica de bajo coste empleada con propósitos de diseño principalmente. Por otro lado, los científicos que trabajan en el centro han desarrollado con éxito un código de Dinámica de Fluidos Computacionales (TermoFluids). Este código de alto rendimiento ha sido ampliamente utilizado principalmente para predecir flujos complejos de gran interés académico. La idea de unir a estas dos ramas, proviene de la necesidad de una plataforma numérica fiable con datos locales propios del flujo y de la transferencia de calor en diversas aplicaciones de intercambiadores de calor. Ser capaz de generar coeficientes locales de transferencia de calor para abastecer con datos propios los modelos existentes de bajo coste, permitirá la correcta predicción del rendimiento de dichos dispositivos. Para lograr estos objetivos, se han hecho varias contribuciones al código TermoFluids que está en continua evolución. Algunas de las mayores cuestiones que se plantean implican la generación de mallas adecuadas y asequibles, la implementación y validación de la condición de contorno periódica tridimensional y el acoplamiento de los diferentes dominios para el estudio de casos con diferentes comportamientos físicos, como desarrollo transitorio e inercia térmica. La turbulencia está presente en la mayoría de los flujos de ingeniería, y los intercambiadores de calor de evaporadores para refrigeración no son una excepción. La presencia de muchos tubos (que actúan como obstáculos para el fluido) colocados en diferentes configuraciones y el hecho de que el flujo también está confinado por aletas, crean características de flujo tridimensionales complejas que tienen generalmente régimen turbulento o en transición. Por lo tanto, se analiza la convección forzada turbulenta en una matriz de pines delimitados por paredes. simulando las grandes escalas de turbulencia y modelando las pequeñas (LES) con el fin de evaluar el desempeño de los tres modelos seleccionados, a saber WALE, QR y VMS. Los números de Reynolds establecidos para el estudio son 3000, 10000 y 30000. Algunos de los principales resultados que se incluyen son el coeficiente de presión alrededor los cilindros, el número de Nusselt promedio en las paredes y la vorticidad del flujo. La parte final de la tesis se dedica a estudiar el flujo tridimensional y los parámetros de transferencia de calor encontrados en un intercambiador de calor de tipo aleta-tubo utilizado para la refrigeración doméstica en equipos de 'no-escarcha'. Las implementaciones del código y el postproceso numéricos se validan en un caso muy similar para un intercambiador de calor con dos filas de tubos a bajos Reynolds para el cual se dispone de datos experimentales. El siguiente análisis que se presenta es una configuración típica para evaporadores 'no-escarcha' con paso de aleta doble (para el que se tiene muy poca información numérica en la literatura). Se considera el acoplamiento conjugado de la transferencia de calor convectiva entre fluido y sólido y conductiva dentro de la aleta. La influencia de algunos parámetros geométricos y de régimen de flujo se analizan con propósitos de diseño. En conclusión, las contribuciones generales de esta tesis junto con el código computacional ya existente, ha demostrado ser capaz de realizar con éxito simulaciones tridimensionales para predecir las características del flujo y los mecanismos responsables de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo

This thesis focuses on the role played by fluctuations in both thermal optimisation techniques and diffusion limited aggregation. The key idea is that by tuning the level of input noise asymptotic results may be attained more rapidly. Stochastic optimisation problems are considered, where the function being optimised cannot be known exactly and may only be estimated. The noise in the estimates is used as the analogue of thermal fluctuations in simulated annealing. This analogy is made exact by use of an acceptance function, and stochastic annealing is seen to be the generalisation of simulated annealing to stochastic optimisation problems. The probabilistic travelling salesman problem (PTSP) is used as a test-bed for stochastic annealing, and significant new results are found. A good characterisation is found for the PTSP and scaling arguments are shown to be accurate for determining the expected length of the pruned and a priori tours, specifically E(Lpruned)=βpruned(p)√np. An oil field project, as a complex commercial problem, is considered and stochastic annealing is seen to make a large improvement in the expected return of the project. Noise reduction in diffusion limited aggregation (DLA) is known to be crucial to our understanding. A generalisation of noise reduction off-lattice is introduced, and noise reduction is shown to be a central parameter controlling the growth of DLA. In 2 dimensions, all quantities appear to be influenced by the slowest correction to scaling, with exponent ~ 0.3. In 3 dimensions, some quantities are not affected by the slowest correction to scaling, exponent ~ 0.2. The renormalisation of DLA is considered, and the noise reduction at the fixed point is measured. The noise, given as the relative variability in extremal cluster radius is found to be ε*2D ≃ 0.003 and ε*3D ≃ 0.006 in 2 and 3 dimensions, respectively.

This thesis focuses on the numerical investigation of the particle-fluid systems based on the Discrete Element Method (DEM). The whole thesis consists of three parts, in each part we have coupled the DEM with different schemes/solvers on the fluid phase. In the first part, we have coupled DEM with Direct Numerical Simulation (DNS) to study the particle-laden turbulent flow. The effect of collisions on the particle behavior in fully developed turbulent flow in a straight square duct was numerically investigated. Three sizes of particles were considered with diameters equal to 50 µm, 100 µm and 500 µm. Firstly, the particle transportation by turbulent flow was studied in the absence of the gravitational effect. Then, the particle deposition was studied under the effect of the wall-normal gravity force in which the influence of collisions on the particle resuspension rate and the final stage of particle distribution on the duct floor were discussed, respectively. In the second part, we have coupled DEM with Lattice Boltzmann Method (LBM) to study the particle sedimentation in Newtonian laminar flow. A novel combined LBM-IBM-DEM scheme was presented with its application to model the sedimentation of two dimensional circular particles in incompressible Newtonian flows. Case studies of single sphere settling in a cavity, and two particles settling in a channel were carried out, the velocity characteristics of the particle during settling and near the bottom were examined. At last, a numerical example of sedimentation involving 504 particles was finally presented to demonstrate the capability of the combined scheme. Furthermore, a Particulate Immersed Boundary Method (PIBM) for simulating the fluid-particle multiphase flow was presented and assessed in both two and three-dimensional applications. Compared with the conventional IBM, dozens of times speedup in two-dimensional simulation and hundreds of times in three-dimensional simulation can be expected under the same particle and mesh number. Numerical simulations of particle sedimentation in the Newtonian flows were conducted based on a combined LBM - PIBM - DEM showing that the PIBM could capture the feature of the particulate flows in fluid and was indeed a promising scheme for the solution of the fluid-particle interaction problems. In the last part, we have coupled DEM with averaged Navier-Stokes equations (NS) to study the particle transportation and wear process on the pipe wall. A case of pneumatic conveying was utilized to demonstrate the capability of the coupling model. The concrete pumping process was then simulated, where the hydraulic pressure and velocity distribution of the fluid phase were obtained. The frequency of the particles impacting on the bended pipe was monitored, a new time average collision intensity model based on impact force was proposed to investigate the wear process of the elbow. The location of maximum erosive wear damage in elbow was predicted. Furthermore, the influences of slurry velocity, bend orientation and angle of elbow on the puncture point location were discussed. / Esta tesis se centra en la investigación numérica de sistemas partícula-líquido basado en la técnica Discrete Element Method (DEM). La tesis consta de tres partes, en cada una de las cuales se ha acoplado el método DEM con diferentes esquemas/solucionadores en la fase fluida. En la primera parte, hemos acoplado los métodos DEM con Direct Numerical Simulation (DNS) para estudiar casos de "particle-laden turbulent flow". Se investigó numéricamente el efecto de las colisiones en el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento completamente desarrollado en un conducto cuadrado recto. Tres tamaños de partículas se consideraron con diámetros de 50, 100 y 500 micrometros. En primer lugar, el transporte de partículas por el flujo turbulento se estudió en la ausencia del efecto gravitacional. Entonces, la deposición de partículas se estudió bajo el efecto de la fuerza de gravedad normal a la pared, en el que se discutieron la influencia de la tasa de colisiones en re-suspensión de las partículas y la fase final de la distribución de partículas en el suelo del conducto, respectivamente. En la segunda parte, se ha acoplado los métodos DEM con Lattice Boltzmann Method (LBM) para estudiar la sedimentación de partículas en flujo laminar newtoniano. Un nuevo metodo combinado LBM-IBM-DEM se presentó y ha sido aplicado para modelar la sedimentación de dos partículas circulares bi-dimensionales en flujos Newtonianos incompresibles. Se estudiaron casos de sedimentación en una cavidad de una sola esfera, y sedimentación de dos partículas en un canal, las características de la velocidad de la partícula durante la sedimentación y cerca de la base fueron también examinados. En el último caso, un ejemplo numérico de sedimentación de 504 partículas fue finalmente presentado para demostrar la capacidad del método combinado. Además, se ha presentado un método "Particulate Immersed Boundary Method" (PIBM) para la simulación de flujos multifásicos partícula-fluido y ha sido evaluado en dos y tres dimensiones. En comparación con el método IBM convencional, se puede esperar con el mismo número de partículas y de malla un SpeedUp docenas de veces superior en la simulación bidimensional y cientos de veces en la simulación en tres dimensiones. Se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la sedimentación de partículas en los flujos newtonianos basados en una combinación LBM - PIBM - DEM, mostrando que el PIBM podría capturar las características de los flujos de partículas en el líquido y fue en efecto un esquema prometedor para la solución de problemas de interacción fluido-partícula. En la última parte, se ha acoplado el método DEM con las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (NS) para estudiar el transporte de partículas y el proceso de desgaste en la pared de una tubería. Se utilizó un caso de transporte neumático para demostrar la capacidad del modelo acoplado. Entonces se simuló el proceso de bombeo de hormigón, de donde se obtuvo la presión hidráulica y la distribución de la velocidad de la fase fluida. Se monitoreó la frecuencia de impacto de las partículas en la tubería doblada, se propuso un nuevo modelo de intensidad de colisión promediado en tiempo para investigar el proceso de desgaste del codo basado en la fuerza de impacto. Se predijo la ubicación del daño máximo desgaste por erosión en el codo. Además, se examinaron las influencias de la velocidad de pulpa, la orientación y el ángulo de curvatura del codo en la ubicación del punto de punción.

The present thesis aims at studying the use of phase change materials (PCM) in thermal energy storage (TES) applications and to develop and implement numerical tools for their evaluation. Numerical analysis is nowadays an indispensable tool for the design, evaluation and optimization of thermal equipment, complementing the experimental techniques. Two levels of analysis are carried out, one in the field of Computational Fluid Dynamics, allowing the accurate simulation of the complex heat transfer and fluid dynamics phenomena present in solid-liquid phase change problems; and another one in which the governing equations are treated assuming several suitable simplifications and integrating empirical correlations, intended for the study of whole thermal storage systems throughout several charge/discharge cycles. Furthermore, the specific application of thermal storage in concentrated solar power (CSP) stations is studied. Different single-tank systems, making use of both sensible and latent energy capacities of the materials, are evaluated and compared against the two-tank molten-salt systems used in current CSP plants. Moreover, a new single-tank TES concept which combines the use of solid and PCM filler materials is proposed, with promising results for its utilization in CSP. In chapters 2 and 3, a numerical fixed-grid enthalpy model for the simulation of the solid-liquid phase change is developed. This technique is implemented using the Finite Volume Method in a collocated unstructured domain discretization and using explicit time integration schemes. Issues regarding the form of the energy equation, the treatment of the pressure equation as well as the momentum source-term coefficient introduced by the enthalpy-porosity method, are described in detail in the first chapter. In the second, the possibility of taking into account the variation of the different thermo-physical properties with the temperature is dealt with. Thermal expansion and contraction associated to the phase change are taken into account in the conservation equations and different strategies for the numerical treatment of the energy equation are discussed in detail. Furthermore, simulations of an interesting case of melting of an encapsulated PCM are carried out using two and three-dimensional meshes, and the results are compared against experimental results from the literature. In the next two chapters, the issue of numerically simulating whole single-tank TES systems is developed. These systems are composed of a single tank filled with solid and/or PCM materials, forming a packed bed through which a heat transfer fluid flows. Thermal stratification separates the fluid layers at different temperatures. The zone in which a steep temperature gradient is produced is called "thermocline", and it is desirable to maintain it as narrow as possible in order to keep a high stored exergy. Different designs of single-tank TES systems ¿classified according to the filler material/s used¿ are evaluated for CSP plants. The analysis is performed evaluating different aspects, as the energy effectively stored/released and the efficiency in the use of the theoretical capacity after several charge/discharge cycles, obtaining results independent of the initial thermal state. The operating time is not fixed, but depends on the temperature of the fluid coming out of the tank, limited by the restrictions of the receiving equipment (solar field and power block). Degradation of the stratification is observed to occur after several cycles, due to the temperature restrictions. In this context, a new concept of single-tank TES is presented, which consists of the combination of different layers of solid and PCM filler materials in a suitable manner, resulting in a lower degradation of the thermocline and increasing the use of the theoretical capacity. This concept, called Multi-Layered Solid PCM (MLSPCM), is demonstrated as a promising alternative for its use in CSP plants. / Esta tesis se centra en el estudio del uso de materiales de cambio de fase (PCM) en el almacenamiento de energía térmica (TES) y en el desarrollo de herramientas numéricas para su evaluación. El análisis numérico es hoy en día una herramienta indispensable para el diseño, evaluación y optimización de equipos térmicos, complementando las técnicas experimentales. Se realizan dos niveles de análisis, uno en el campo de la dinámica de fluidos computacional, permitiendo la simulación precisa de fenómenos complejos de transferencia de calor y dinámica de fluidos presentes en los problemas de cambio de fase sólido-líquido; y otro en la que las ecuaciones gobernantes son tratadas mediante simplificaciones razonables e integrando correlaciones empíricas, destinado al estudio de sistemas TES en varios ciclos de carga/descarga. Por otra parte, se estudia el almacenamiento térmico para plantas de generación termosolar (CSP). Se evalúan diferentes sistemas de un solo tanque, utilizando tanto las capacidades de energía sensible como latente de los materiales, y se comparan con los sistemas de sales fundidas de doble tanque utilizados actualmente. Además, se propone un concepto novedoso de TES de un único tanque que combina el uso de materiales de relleno sólidos y PCM, con resultados prometedores para su utilización en CSP. En los capítulos 2 y 3, se desarrolla un modelo de entalpía de malla fija para la simulación de la fusión y solidificación. Se utiliza una discretización por volúmenes finitos en mallas no estructuradas en un esquema colocado, y esquemas de integración temporal explícitos. En el primer capítulo, se discuten cuestiones relativas a la forma de la ecuación de energía, el tratamiento de la ecuación de presión, así como el coeficiente de término fuente en la ecuación de momentum introducido por el método de entalpía-porosidad. En el segundo, se trata la posibilidad de tener en cuenta la variación de las propiedades termofísicas con la temperatura. La expansión/contracción térmica asociada al cambio de fase se tiene en cuenta en las ecuaciones de conservación y se tratan en detalle diferentes estrategias para el tratamiento numérico de la ecuación de la energía. Además, se realizan simulaciones de un caso interesante de fusión de un PCM encapsulado, utilizando mallas bi y tridimensionales, y los resultados se comparan con otros de la literatura. En los dos capítulos siguientes, se desarrolla el tema de la simulación numérica de sistemas TES de un único tanque. Estos sistemas están compuestos de un tanque relleno de materiales sólidos y/o PCM, formando un lecho poroso a través del cual circula un fluido de transferencia de calor. La estratificación térmica separa las capas de fluido a diferentes temperaturas. La zona en donde se da el mayor gradiente de temperaturas vertical se conoce generalmente como "termoclina", la cual es deseable mantenerla lo más angosta posible, con el fin de mantener una mayor exergía almacenada. Diferentes diseños de sistemas de un solo tanque -clasificados de acuerdo con el/los material/es de relleno utilizado/s- se evalúan para plantas de CSP. El análisis se realiza evaluando diferentes aspectos, como la energía efectivamente almacenada/liberada y la eficiencia en el uso de la capacidad teórica luego de varios ciclos de carga/descarga, obteniendo resultados independientes del estado térmico inicial. El tiempo de operación no es fijo, sino que depende de la temperatura del fluido de salida, limitada por las restricciones de los equipos que lo reciben (campo solar y bloque de potencia). Se observa una degradación de la estratificación a lo largo de los ciclos debido a las restricciones de temperatura. En este contexto, se presenta concepto de TES novedoso, combinando de diferentes capas de materiales de relleno sólidos y PCM de una manera adecuada. Este concepto, llamado "multi-layered solid-PCM" (MLSPCM) resulta ser una alternativa prometedora para su uso en plantas de CSP

L'objectiu del treball inclòs en aquesta Tesi Doctoral és el desenvolupament de noves estratègies per a la fabricació senzilla i de baix cost de components fotònics polimèrics i la seva integració en dispositius lab‐on‐chip fotònics (PhLoC). Per a això, es van desenvolupar materials polimèrics híbrids orgànics‐inorgànics amb un esquelet d'òxid de silici, mitjançant la tecnologia sol‐gel, i es van fabricar microestructures d'aquests materials usant tècniques de microfabricació senzilles i de baix cost. Diferents monòmers van ser triats seleccionats i inclosos en diverses formulacions sol‐gel. Aquestes molècules modulen no només les propietats físic‐químiques dels materials resultants, tals com la seva flexibilitat, porositat o hidrofobicitat, sinó també les seves propietats òptiques tals com la transparència o l'índex de refracció. Així mateix, els materials desenvolupats van ser dopats amb molècules colorants i fluorescents amb la finalitat de controlar les seves propietats espectrals. El microestructurat del material híbrid resultant es va dur a terme usant tècniques no fotolitogràfiques incloses en les trucades tècniques de litografia tova (de l'anglès soft lithography). Treballant amb aquests materials i aplicant senzills processos de fabricació, es van desenvolupar components fotònics polimèrics, els quals poden integrar‐se en dispositius lab‐on‐chip amb la finalitat de desenvolupar eines d'anàlisis compactes amb el potencial de ser aplicades en estudis descentralitzats per al control mediambiental o diagnòstic precoç de malalties. El manuscrit es divideix en set capítols. En el capítol I, es realitza una introducció general als conceptes principals necessaris per a una millor comprensió de la tecnologia sol‐gel, la síntesi de materials híbrids orgànics‐inorgànics i la seva aplicació en òptica i la fotònica. Igualment, es descriuen les diferents tècniques aplicades pel microestructurat d'aquests materials i, per finalitzar, s'introdueixen els dispositius labon‐ chip (LoC) i el concepte de PhLoC, que inclou components diferents, relacionats amb la micro‐òptica i l'òptica integrada. Aquest capítol va seguit de cinc capítols més que mostren el treball experimental dut a terme i descriuen els resultats experimentals obtinguts. Com a últim capítol, en el capítol VII es destaquen les principals conclusions extretes d'aquest treball. El capítol III se centra en el disseny i la síntesi de dos materials híbrids dopats amb fluoròfors i el seu microestructurat mitjançant una tècnica de litografia tova denominada micromodelat en capil∙lars. Es va realitzar una caracterització fisicoquímica exhaustiva dels materials resultants i de la seva resposta espectral. Es va realitzar el processament en un sol pas de microestructures d'aquests materials, amb diferents geometries i relacions d'aspecte i, al seu torn es van demostrar les seves excel∙lents propietats òptiques. A més, aquest capítol mostra que aquests materials són robusts i molt adequats per a la fabricació d'emissors de llum d'estat sòlid d'un sol ús, i d'altres components fotònics per a òptica integrada. En els capítols experimentals següents, es recull l'avaluació òptica de components polimèrics fotònics, i la seva posterior integració en dos dispositius PhLoC diferents. El capítol III mostra la fabricació, caracterització i implementació en un PhLoC basat en estructures *PDMS vidre, de diferents microfiltres fabricats amb els materials híbrids dopats amb colorants que absorbeixen en diferents zones de l'espectre visible. El capítol V presenta el disseny, la fabricació i el funcionament d'un emissor de llum blava fabricat emprat un material híbrid sol‐gel dopat amb un fluoròfor i seguint els procediments experimentals descrits en els capítols anteriors. El capítol VI descriu el treball realitzat en la integració d'aquest emissor en un altre dispositiu PhLoC fabricat en PDMS i vidre, el qual es va aplicar posteriorment en la fabricació d'un biosensor per a la detecció d'un analit modelo. El capítol VII explora altres materials híbrids basats en matrius de xerogel dopats amb punts quàntics, així com una tècnica de *micro‐/nanofabricació alternativa, la litografia per nanoimpresión tèrmica, per a l'estructurat dels polímers híbrids presentats en els capítols anteriors. / El objetivo del trabajo incluido en esta Tesis Doctoral es el desarrollo de nuevas estrategias para la fabricación sencilla y de bajo costo de componentes fotónicos poliméricos y su integración en dispositivos fotónicos lab‐on‐chip (PhLoC). Para ello, se desarrollaron materiales poliméricos híbridos orgánicos‐inorgánicos con un esqueleto de óxido de silicio, mediante la tecnología sol‐gel, y se fabricaron microestructuras de estos materiales usando técnicas de microfabricación sencillas y de bajo coste. Diferentes monómeros fueron elegidos seleccionados e incluidos en varias formulaciones sol‐gel. Estas moléculas modulan no sólo las propiedades físicoquímicas de los materiales resultantes, tales como su flexibilidad, porosidad o hidrofobicidad, sino también sus propiedades ópticas tales como la transparencia o el índice de refracción. Asimismo, los materiales desarrollados fueron dopados con moléculas colorantes y fluorescentes con el fin de controlar sus propiedades espectrales. El microestructurado del material híbrido resultante se llevó a cabo usando técnicas no fotolitográficas incluidas en las llamadas técnicas de litografía blanda (del inglés soft lithography). Trabajando con estos materiales y aplicando sencillos procesos de fabricación, se desarrollaron componentes fotónicos poliméricos, los cuales pueden integrarse en dispositivos lab‐on‐chip con el fin de desarrollar herramientas de análisis compactas con el potencial de ser aplicadas en estudios descentralizados para el control medioambiental o diagnóstico precoz de enfermedades. El manuscrito se divide en siete capítulos. En el capítulo I, se realiza una introducción general a los conceptos principales necesarios para una mejor comprensión de la tecnología sol‐gel, la síntesis de materiales híbridos orgánicos‐inorgánicos y su aplicación en óptica y la fotónica. Igualmente, se describen las diferentes técnicas aplicadas para el microestructurado de estos materiales y, para finalizar, se introducen los dispositivos lab‐on‐chip (LOC) y el concepto de PhLoC, que incluye componentes diferentes, relacionados con la microóptica y la óptica integrada. Este capítulo va seguido de la definición de los objetivos más otros cinco capítulos que muestran el trabajo experimental llevado a cabo y describen los resultados experimentales obtenidos. Como último capítulo, en el capítulo VIII se destacan las principales conclusiones extraídas de este trabajo. El capítulo III se centra en el diseño y la síntesis de dos materiales híbridos dopados con fluoróforos y su microestructurado mediante una técnica de litografía blanda denominada micromodelado en capilares. Se realizó una caracterización fisicoquímica exhaustiva de los materiales resultantes y de su respuesta espectral. Se realizó el procesado en un solo paso de microestructuras de estos materiales, con diferentes geometrías y relaciones de aspecto y, a su vez se demostraron sus excelentes propiedades ópticas. Además, este capítulo muestra que estos materiales son robustos y muy adecuados para la fabricación de emisores de luz de estado sólido desechables, y de otros componentes fotónicos para óptica integrada. En los capítulos experimentales siguientes, se recoge la evaluación óptica de componentes poliméricos fotónicos, y su posterior integración en dos dispositivos PhLoC diferentes. El capítulo IV muestra la fabricación, caracterización e implementación en un PhLoC basado en estructuras PDMS vidrio, de diferentes microfiltros fabricados con los materiales híbridos dopados con colorantes que absorben en diferentes zonas del espectro visible. El capítulo IV presenta el diseño, la fabricación y el funcionamiento de un emisor de luz azul fabricado empleado un material híbrido sol‐gel dopado con un fluoróforo y siguiendo los procedimientos experimentales descritos en los capítulos anteriores. El capítulo VI describe el trabajo realizado en la integración de este emisor en otro dispositivo PhLoC fabricado en PDMS y vidrio, el cual se aplicó posteriormente en la fabricación de un biosensor para la detección de un analito modelo. El capítulo VII explora otros materiales híbridos basados en matrices de xerogel dopados con puntos cuánticos, así como una técnica de micro‐/nanofabricación alternativa, la litografía por nanoimpresión térmica, para el estructurado de los polímeros híbridos presentados en los capítulos anteriores. / The aim of the work included in this PhD Thesis was the development of new strategies for the simple and low‐cost fabrication of polymeric photonic components and their integration in photonic lab‐on‐chip (PhLoC) devices. For that, tailor‐made silicon based hybrid organic‐inorganic polymeric materials were developed by the solgel technology and patterned using simple and cost‐effective microfabrication techniques. Different monomers were carefully chosen and included in several sol‐gel polymer formulations. These molecules influenced not only the physicochemical properties of the resulting materials such as their flexibility, porosity or hydrophobicity but also tuned their optical properties such as transparency or refractive index. Also, the developed materials were easily doped with colored and fluorescent dyes in order to modulate their spectral properties. Patterning of the resulting hybrid polymer was carried out using simple and cost‐effective non‐photolithographic approaches included in the so‐called soft lithography techniques. Working with these materials and applying simple patterning processes enabled the fabrication of photonic components, which could be integrated in lab‐on‐chip systems in order to develop compact analytical tools with the potential to be applied in decentralized studies for environmental monitoring or point‐of‐care diagnostics. The manuscript is divided into seven chapters. In Chapter I, a general introduction to the main concepts for better understanding the sol‐gel technology, the synthesis of organic‐inorganic hybrid materials and their application in optics and photonics. A description of the different techniques applied for the patterning of these materials is also given to end up with the introduction of the lab‐on‐chip (LoC) concept and the PhLoC approach, which includes different components, related to micro‐optics and integrated optics. This chapter is followed by the definition of the objectives and five more chapters that extensively explain the experimental work carried out and thoroughly describe the experimental results achieved. As a final chapter, Chapter VIII highlights the main conclusions drawn from this work. Chapter III is focused on the design and synthesis of two different fluorophore doped hybrid materials and their patterning by micromolding in capillaries soft lithographic technique. An exhaustive physicochemical characterization of materials, and their spectral response was carried out. The one‐step processing of these materials, showing different geometries and aspect ratios was successfully carried out, and in turn their excellent optical performance demonstrated. Additionally, this chapter demonstrates that this type of materials is robust and highly suitable for the fabrication of disposable solid‐state light emitting devices, and by extension, other photonic components for integrated optics. In the following experimental chapters, the fabrication and optical assessment of specific polymeric photonic components, which were then integrated in two different PhLoCs is presented. Chapter IV shows the fabrication, characterization and implementation in a glass‐PDMS PhLoC, of different colored dye‐doped hybrid polymeric micro‐filters whose absorbance behavior covers different wavelength ranges of the visible spectrum. Chapter V shows the design, fabrication and performance of a fluorophore‐doped polymeric blue‐light emitter fabricated following the experimental procedures described in previous chapters. Chapter VI describes the work carried out on the integration of this emitter in another glass/ PDMS PhLoC device, which was further applied as a biosensor approach for the detection of a model target analyte. Chapter VII explores other hybrid materials based on quantum dot doped xerogel matrices, as well as an alternative micro‐ /nanofabrication technique, the thermal nanoimprint lithography, for the patterning of the hybrid polymers presented in the previous chapters.

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