A two-dimensional axisymmetric implementation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) technique, called for short AxisSPH, has been described in this thesis, along with a number of basic tests and realistic applications. The main goal of this work was to fill a gap on a topic which has been scarcely addressed in the published literature concerning SPH. Although the application of AxisSPH to the simulation of real problems is restricted to those systems which display the appropriate symmetry there are, however, many interesting examples of physical systems which evolve following the axisymmetric premise. These examples belong to a variety of scientific and technological areas such as, for example, astrophysics, laboratory astrophysics or inertial confinement fusion. Additionally AxisSPH can be also useful in convergence studies of the standard 3D-SPH technique because the higher resolution achieved in 2D can be used to benchmark the three-dimensional codes. The main improvements implemented in AxisSPH with respect existing axisymmetric SPH formulations are summarized as follows: 1) We have derived simple analytical expressions for correction factors which largely improves the calculation of density and velocity in the vicinity of the z-axis. These expressions and their derivatives were given as a function of an adimensional parameter and do not increase the computational load of the scheme. 2) We have obtained the appropriate expression of the fluid Euler equations containing the new correction functions and their derivatives. Far enough from the singular axis, the scheme reduces to the standard formulation discussed by Brookshaw (2003). 3) A novel expression for the heat conduction term, which has to be added to the energy equation was devised and checked. This new term improves the description of the heat flux for those particles located at the axis neighborhoods. 4) Until now axisymmetric SPH hydrocodes handle artificial viscosity using a crude approach because it was treated as a simple restriction of the standard 3D Cartesian viscosity to 2D. Here we propose to calculate the viscous pressure as a combination of two terms, the first one is the (standard) Cartesian part and the second is the axis-converging part of the viscosity respectively. As expected this last term is of special relevance to simulate implosions. 5) We have developed an original method to incorporate gravity into AxisSPH. First the direct ring to ring force was found as a function of the Euclidean distance between the 2D particles. In second place the gravitational force on a given particle was obtained by summing the contributions of all N particles. We have also developed a more efficient scheme to obtain the gravitational force calculating the potential of the ring, instead the force because it involves lesser algebraic operations. The scheme has been checked using a large number of tests cases. These tests range from very specific oriented to check a particular algorithm or a piece of physics, to rather complex ones intended to analyze the behavior of the scheme in potential real applications (ICF, jets, astrophysics). At least in one case, the head on collision of a pair of white dwarfs, the result of the simulations carried out using AxisSPH brings new, unpublished, scientific material. / En esta tesis se ha desarrollado un código, que hemos llamado AxisSPH, en dos dimensiones axisimétrico a partir de la técnica conocida como SPH (“smooothed particle hydrodynamics”). AxisSPH ha sido validado después de realizar una serie de tests básicos y algunas simulaciones de situaciones reales. El objetivo principal de este trabajo ha sido llenar, en parte, el vacío existente al respecto en la literatura sobre SPH. Aunque sólo se puede aplicar AxisSPH en problemas reales que presenten la apropiada simetría, existen muchos ejemplos interesantes de sistemas físicos que presentan la simetría axial demandada. Existen ejemplos en campos de aplicación tanto científica como tecnológica, por ejemplo en astrofísica, en el llamado laboratorio de astrofísica o en fusión por confinamiento inercial (ICF). Otra interesante aplicación de AxisSPH puede ser su utilización en estudios de convergencia con otros códigos 3D-SPH debido a su mayor resolución, al tratarse de un código 2D. Las mejoras implementadas en el código AxisSPH en comparación con otros códigos axisimétricos SPH existentes se pueden resumir en los siguientes puntos: 1) Hemos deducido expresiones analíticas simples para unos factores de corrección que mejoran el cálculo de la densidad y la velocidad en las proximidades del eje z. Dichas expresiones y sus derivadas dependen de un parámetro adimensional que no incrementa mucho el peso computacional del esquema propuesto. 2) Hemos obtenido las expresiones adecuadas de las ecuaciones de Euler que contienen estas nuevas funciones correctoras y sus derivadas. Lejos del eje de singularidad estas ecuaciones se transforman en las de la formulación estándar propuesta por Brookshaw (2003). 3) Una expresión novedosa del término de conducción, que debe de añadirse a la ecuación de la energía, se ha propuesto y validado. Este nuevo término mejora la evolución del flujo de calor de las partículas situadas en las proximidades del eje z. 4) Hasta el momento los códigos hidrodinámicos SPH axisimétricos existentes trabajaban con una aproximación poco elaborada de la viscosidad artificial ya que consistían en una restricción a dos dimensiones de la viscosidad estándar 3D. En este trabajo proponemos el cálculo de la presión debida a la viscosidad como combinación de dos términos, el primero reflejo de la parte cartesiana y la segunda da cuenta de la parte relacionada con la convergencia en el eje. Como era de esperar este último término es de relevante importancia en la simulación de implosiones. 5) Hemos desarrollado un método original para incorporar el cálculo de la gravedad en el código AxisSPH. En primer lugar la fuerza directa de anillo a anillo y en segundo lugar la fuerza de la gravedad que sufre una determinada partícula a partir de la contribución del resto de las N partículas existentes. También hemos desarrollado un esquema más eficiente para calcular la gravedad a partir del cálculo del potencial del anillo en lugar del cálculo directo de la fuerza ya que implica un menor número de operaciones algebraicas. El método ha sido verificado con un gran número de test numéricos. Desde los más específicos orientados a comprobar la validez de un algoritmo particular o la capacidad para simular un fenómeno físico en particular, hasta simulaciones bastante más complejas, con la intención de validar la capacidad de simular aplicaciones potencialmente más reales (ICF, jets, astrofísica). Así, en al menos un caso, en la colisión frontal de dos enanas blancas, los resultados de la simulación utilizando AxisSPH pueden aportar material científico publicable.

La tesi s’inicia fent una presentació del comportament dels llits estabilitzats magnèticament i de les seves aplicacions, així com de les limitacions que tenen degut a les pèrdues de les propietats magnètiques en certes condicions.A continuació, es proposa un model matemàtic dels llits fluïditzats estabilitzats magnèticament, basat en la distribució que segueixen les partícules amb les línies del camp. L’estabilització magnètica també s’ha aplicat a llits fluïditzats amb barreges de partícules magnètiques i no magnètiques. S’ha estudiat el comportament d’aquests sistemes, així com la influència de la fracció màssica de material magnètic en el retard en l’aparició del bombolleig. Els resultats obtinguts mostren que l’estabilització magnètica pot aplicar-se no solament a la fluïdització de partícules magnetitzables sinó també a partícules no magnetitzables, si una certa fracció de material magnètic és present en el llit. Es proposen diferents correlacions per al càlcul de la velocitat de transició en funció de les propietats del sistema gas-sòlid i les condicions d’operació.També s’estudia l’efecte del camp magnètic sobre el comportament tèrmic dels llits fluïditzats de partícules magnètiques escalfats amb una superfície calefactora introduïda dins el llit. S’ha determinat la distribució axial i radial de temperatures en el llit. A partir dels resultats experimentals, s’ha desenvolupat un model que permet el càlcul de la conductivitat tèrmica efectiva del llit. A més, mitjançant l’aplicació de l’analogia de Chilton i Colburn a les dades experimentals obtingudes, s’han proposat diferents correlacions per a l’estimació del coeficient de transferència de calor en llits estabilitzats i semi estabilitzats.Finalment, s’ha estudiat experimentalment, mitjançant l’assecament d’aire humit en llits formats per barreges d’alúmina-acer, la transferència de matèria en llits estabilitzats i semi estabilitzats. S’han emprat dos paràmetres, eficiència del llit i factor de eficiència, per comparar el comportament dels diferents tipus de llits. La precisió del model teòric desenvolupat s’ha provat amb els resultats experimentals obtinguts. Els models corresponents als llits fluïditzats clàssics no presenten un bon ajust amb les dades experimentals; ara bé, quan aquests models són modificats tenint en compte l’efecte del camp magnètic, l’ajust amb les dades és molt millor. / First, in this thesis, the behaviour of the magnetically stabilized fluidized bed is presented, as well as its applications; the limitations due to the loss of magnetic properties in certain conditions are also considered.Later, a mathematical model of the magnetically stabilized fluidized bed, based on the arrangement of particles following field lines is proposed. Magnetic stabilization has also been applied to fluidized beds with mixture of magnetisable and non-magnetisable particles. The behaviour of these systems is studied, as well as the influence of the magnetic material mass fraction on the delay of bubbling. The results obtained show that the magnetic stabilization can be applied not only to the fluidization of magnetisable materials but also to non-magnetisable particles, if a certain fraction of magnetisable material is present. Correlations are proposed to calculate the transition velocity as a function of gas-solid properties and operating conditions.Also, the effect of the magnetic field on the thermal behaviour of a fluidized bed of magnetisable particles with an immersed heating surface has been studied. The temperature distribution inside the bed has been determined, both in the radial and axial directions. A model has been developed which allows calculation of the effective thermal conductivity of the bed from experimental data. In addition, by means of the application of the Chilton and Colburn analogy to the experimental data obtained, different correlations for the estimation of the heat transfer coefficient in stabilized and semi-stabilized beds have been proposed.Finally, the mass transfer in magnetically stabilized and semi-stabilized beds has been studied experimentally using the drying of moist air in beds of alumina-steel mixtures. Two parameters, bed efficiency and efficiency factor have been used to compare the behaviour of the different beds. The accuracy of the theoretical model developed has been tested using the results obtained. The models corresponding to the classical fluidized bed do not agree with experimental data; however, when these models are modified to take into account the effect of magnetic stabilization, the accuracy is much better.

Procesos hidrodinámicos determinan, en un alto grado la calidad del agua en embalse, sin embargo dichos procesos han sido tradicionalmente olvidados en la gestión de embalse. En esta tesis se presentan evidencias de los principales procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse Mediterráneo a escala de cuenca a través de campañas experimentales y modelización numérica; y su influencia en la dinámica de poblaciones de fitoplancton. Dichos procesos son principalmente la generación de ondas internas o secas y la intrusión del río. La presencia de viento periódico genera secas forzadas, amplificando los modos cercanos al periodo del viento, de manera que modos verticales altos, considerados como raros en la naturaleza, tienden a dominar en el sistema. / Physical processes determine, to a large degree, the ecological response of a reservoir to inflows, outflows and meteorological forcing. This PhD thesis therefore aims to give an assessment of the main physical mechanisms governing Mediterranean reservoirs. The main basin-scale hydrodynamical processes are the generation of seiches and the gravity currents generated by the river inflow. The periodicity of the wind forcing makes that the reservoir responses as a forced harmonic damped oscillator being the natural modes of oscillation close to the forcing period preferably excited; including high vertical modes considered rare in the nature. The fate of the river inflow nutrients input generates horizontal heterogeneities in the community of phytoplankton.