El presente documento es el informe final del Trabajo de Titulo, ME69F, de Jorge Coronado. El tema de trabajo de titulo del alumno de Ingeniería Mecánica es el análisis numérico del flujo energético en tres dimensiones para el estudio de colectores solares concentradores. Este tema se justifica por el uso y el potencial de esta tecnología en el país y por el real alcance que pueda tener una herramienta de este tipo. Este programa es una herramienta para el estudio de colectores solares con concentración. Se escogio utilizar un método numérico debido al gran avance de iteración y modelamiento de los programas computacionales. En este contexto el método numerico posee grandes ventajas por sobre otros métodos. El análisis numérico se hace mediante el desarrollo de un programa computacional escrito en Matlab, debido a uso capacidad de graficar en 3 dimensiones y su uso en el mundo científico. El programa analiza el flujo energético mediante un método numérico para distintos tipos de colectores solares concentradores con receptores planos utilizando un sistema de trazado de rayos del tipo Monte Carlo. El resultado se entrega mediante una imagen del flujo energético en 3 dimensiones en el receptor para así potenciar el uso de colectores solares en distintas aplicaciones. Los resultados son de acuerdo con los objetivos; se logra visualizar el flujo energético y las iteraciones aleatorias (Monte Carlo). El programa se utilizo para analizar sistemas y condiciones simples para así en el futuro poder analizar sistemas más complejos. El programa fue escrito de forma sistemática para que pueda ser utilizado como una herramienta de trabajo para analizar otros sistemas mas específicos.

[pt] O problema do cálculo de cobertura em sistemas celulares operando em regiões urbanizadas tem sido bastante estudado por diversos autores, existindo um conjunto de métodos de previsão amplamente testados e implementados em ferramentas computacionais. Atualmente, com a aplicação da tecnologia celular a sistemas de transmissão de dados de faixa larga, o foco dos estudos nesta área deslocou-se para o cálculo de cobertura em micro e picocélulas. Este trabalho apresenta uma revisão dos principais métodos empíricos para a previsão da propagação em sistemas micro e picocelulares. A seguir é realizado o estudo de uma técnica mais precisa para estes cálculos, empregando traçado de raios e o rastreamento do campo eletromagnético ao longo dos mesmos segundo a Teoria Uniforme da Difração (UTD). É desenvolvido todo um conjunto de algoritmos para a aplicação do traçado de raios, considerados os problemas de reflexão, refração (transmissão) e difração num cenário tridimensional (problema vetorial). A difração é tratada a partir da generalização das formulações assintóticas disponíveis para tratar o espalhamento por obstáculos perfeitamente condutores. Parte destes algoritmos, referentes aos problemas de reflexão múltipla, foi implementada em linguagem C++ e alguns exemplos de aplicação são apresentados neste trabalho. / [en] The problem of the electromagnetic coverage in cellular systems designed to operate in urban regions has being massively studied by many authors, existing a set of prediction models largely tested and implemented in computational tools. Nowadays, with the application of the cellular technology in broadband data transmission systems, the focus of the research in this area has moved to the coverage computation in micro and picocells. This work presents a review of the main empirical methods for the propagation prediction in micro and picocellular systems. Following it, a study is made of a more precise technique for these computations, employing ray tracing and the tracking of the electromagnetic field in each point of the ray trajectory by using the Uniform Theory of Diffraction (UTD). It is developed a pack of algorithms for the application of the ray tracing techniques, to the problems of reflection, refraction (transmission through slabs) and diffraction in a tridimensional scene (vectorial problem). Diffraction is dealed with by extending available asymptotic formulations for scattering by perfectly conducting obstacles. A portion of these algorithms, refering to the problem of multiple reflections, has been implemented in a C++ computer code and applied herein to selected case studies. / [es] El problema del cálculo de cobertura en sistemas celulares que operan en regiones urbanizadas ha sido bastante estudiado por diversos autores. Como resultado, existe un conjunto de métodos de previsión ampliamente probados e implementados computacionalmente. Actualmente, con la aplicación de la tecnología celular a sistemas de transmisión de datos de larga faja, el foco de los estudios en esta área ha pasado a ser el cálculo de cobertura en micro e picocélulas. Este trabajo presenta una revisión de los principales métodos empíricos para la previsión de propagación en sistemas micro e picocelulares. A seguir se estudia una técnica más precisa para estos cálculos, que utiliza trazado de rayos y rastreamiento del campo eletromagnético según la Teoría Uniforme de la Difracción (UTD). Se desarrolla un conjunto de algoritmos para la aplicación del trazado de rayos, considerando los problemas de reflexión, refracción (transmisión) y difracción en un escenario tridimensional (problema vectorial). La difracción es tratada a partir de la generalización de las formulaciones asintóticas disponibles para tratar la dispersión por obstáculos perfectamente conductores. Una parte de estos algoritmos, referidos a los problemas de reflexión múltiple, fueron implementada en lenguaje C++ y algunos ejemplos de aplicación se apresentan en este trabajo.

[ES] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos. / [CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos. / [EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments. / Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191325

[ES] Hoy en día, los materiales cementicios están presentes en la gran mayoría de las infraestructuras de nuestro entorno, como pueden ser el hormigón y el mortero, debido a su bajo coste y sus características mecánicas estructurales y de durabilidad. Pese a todo, estas se ven degradadas por factores externos e internos, reduciendo la viabilidad de estos con el paso del tiempo. Para inspeccionar estos materiales se han creado múltiples ensayos destructivos (ED) y ensayos no destructivos (END) que indican mediante ciertos parámetros el estado de los materiales de construcción. Dentro de los no destructivos, encontramos los ultrasonidos cuya propagación en estos materiales otorga información sobre su estado y estructura interna. Entre los múltiples ensayos ultrasónicos se encuentra la tomografía ultrasónica cuya base nace gracias a las Tomografías Computarizadas (TC): se ilumina un objeto mediante una fuente y se reciben las señales mediante los receptores. Se rota entorno al objeto bajo estudio combinando las señales mediante los algoritmos tomográficos y obteniendo una reconstrucción del objeto interno sin producirle ningún tipo de daño. No obstante, aunque para determinadas longitudes de onda podemos asumir una trayectoria de rayo recto, los ultrasonidos son ondas dispersivas que se difractan y se reflejan alejándose de esta condición de idoneidad afectando negativamente a las reconstrucciones. En esta tesis se estudia la tomografía de ultrasonidos aplicada a probetas de mortero. Para ello, previamente se realiza un estudio de los algoritmos de reconstrucción tomográfica donde se hace un recorrido por los principales algoritmos convencionales. Los transformados (FBP y DFT) cuyos resultados son excelentes en caso de que tengamos un nivel elevado de rayos y direcciones que conforman las proyecciones. Los algoritmos de redes neuronales (BPE y RBF) y métodos algebraicos (ART, CART, SART y SIRT) presentan buenos resultados en aquellas situaciones donde se tenga un bajo número de rayos y direcciones o alta presencia de ruido. Se comparan entre ellos mediante proyecciones obtenidas con señales simuladas y se obtienen los mejores resultados para el algoritmo FBP, con lo que las siguientes reconstrucciones reales se llevan a cabo con este método. La aplicación en la que se centra este trabajo consiste en la detección del frente de carbonatación en probetas cementicias. Es por ello que se diseñan diferentes casos de probetas con daño y sin daño para validar el funcionamiento de un sistema tomográfico. Se diseña y se construye el sistema hardware capaz de la toma automatizada de medidas empleando una configuración de rayos paralelos o de rayos en abanico. Además, se ha adaptado para que sea capaz de inspeccionar tanto con transductores acoplados por aire como inspeccionar el objeto en inmersión (acoplamiento por agua). Se concluye que la tomografía por inmersión ofrece una solución de compromiso entre transferencia de energía y proceso de automatización. Además se implementan dos modelos de redes neuronales entrenados mediante sinogramas simulados para posteriormente reconstruir casos reales. Todos los algoritmos y casos son evaluados tanto en calidad de reconstrucción como en prestaciones. / [CA] Avui dia, els materials cimentants són presents a la majoria de les infraestructures del nostre entorn com poden ser el formigó i el morter, donat el seu baix cost i les seues característiques mecànic estructurals i la seua durabilitat. Malgrat tot, aquestes es veuen degradades per factors externs i interns, reduint la seua viabilitat amb el pas del temps. Per inspeccionar dits materials s'han creat múltiples assajos destructius (AD) i assajos no destructius (AND) que indiquen mitjançant certs paràmetres l'estat dels materials de construcció. Dins del no destructius trobem els ultrasons, la propagació dels quals per aquests materials ens aporta informació sobre el seu estat i estructura interna. Entre els múltiples assajos ultrasònics, es troba la tomografia ultrasònica, la base de la qual neix gràcies a les Tomografies Computeritzades (TC): s'il·lumina un objecte per mitjà d'una font i es reben les senyals a través dels receptors. Es rota entorn l'objecte en estudi combinant les senyals mitjançant els algoritmes tomogràfics i obtenint una reconstrucció de l'objecte intern sense produir-li cap tipus de dany. No obstant això, i encara que per a determinades longituds d'ona podem assumir una trajectòria recta del raig, els ultrasons són ones dispersives que es difracten i reflecteixen, allunyant-se d'aquesta condició d'idoneïtat i afectant negativament les reconstruccions. En aquesta tesi s'estudia la tomografia d'ultrasons aplicada a provetes de morter. Amb aquesta finalitat, prèviament es realitza un estudi dels algoritmes de reconstrucció tomogràfica on es fa un recorregut pels principals algoritmes convencionals. Els transformats (FDB i DFT) els resultats dels quals son excel·lents en cas que tinguem un nivell elevat de raigs i direccions que conformen les projeccions. Els algoritmes de xarxes neuronals (BPE i RBF) i mètodes algebraics (ART, CART, SART i SIRT) presenten bons resultats en aquelles situacions on es tingui un baix número de raigs i direccions o una alta presència de soroll. Es comparen entre ells per mitjà de projeccions obtingudes amb senyals simulades i s'obtenen els millors resultats per a l'algoritme FBP, duent-se a terme les següents reconstruccions amb aquest mètode. L'aplicació en la que es centra aquest treball consisteix en la detecció del front de carbonatació en provetes cimentants. És per això que es dissenyen diferents casos de provetes amb desperfectes i sense desperfectes per validar el funcionament d'un sistema tomogràfic. Es dissenya i es construeix el sistema hardware capaç de la presa automatitzada de mesures emprant una configuració de raigs paral·lels o de raigs en ventall. A més, s'ha adaptat per a que sigui capaç d'inspeccionar tant amb transductors acoblats per aire com inspeccionar l'objecte en immersió (acoblament per aigua). Es conclou que la tomografia per immersió ofereix una solució de compromís entre la transferència d'energia i el procés d'automatització. A més s'implenten dos models de xarxes neuronals entrenats per mitjà de sinogrames simulats per a posteriorment reconstruir casos reals. Tots els algoritmes i casos són avaluats tant en qualitat de reconstrucció com en prestacions. / [EN] Nowadays, cementitious materials are present in the great majority of our surrounding infrastructures such as concrete and mortar, due to its low cost mechanic-structural features and its lasting. Nevertheless, this characteristics are degraded because of external and internal factors, reducing its viability over time. In order to inspect this materials, multiple destructive testing (DT) and non-destructive testing (NDT) have been created. This trials show construction materials conditions with certain parameters. In the non-destructive group, we found ultrasounds whose spreading in this materials gives us information about their condition and internal structure. Among the multiple ultrasonic tests, we can find the ultrasonic tomography which is based in the Computed Tomography Scans (CT) basis: an object is illuminated by a source and signals are received through receivers. Rotation is made around the object under study combining the signals using tomographic algorithms for the purpose of obtaining an internal object reconstruction without damaging it. However we can assume a straight beam path for certain wavelengths, ultrasound are dispersive waves that diffract and reflect, making them less suitable because they worsen the quality of reconstructions. In this thesis, the ultrasonic tomography applied to mortar specimens is studied. For that, a study of tomographic reconstruction algorithms is carried out and the main conventional algorithms are reviewed. The transforms (FBD and DFT) whose results are excellent in case we have a high level of beams and directions that make up the projections. The neuronal network algorithms (BPE and RBF) and the ones for algebraic methods (ART, CART, SART and SIRT) have good results in situations where a low number of beams and directions or high noise presence are found. A comparation between them is made using projections obtained with simulated signals and the best FBP algorithm results are extracted. The following real reconstructions are carried out with this method. The application on which this work focuses consists of the detection of the carbonation front in cementitious specimens. That is why different types of specimens with damage and without damage are designed to validate a tomographic system function. A hardware system capable of taking automated measures using a configuration of parallel beams or fan beams is designed and built. Moreover, it has been adapted to be able to inspect both with air-coupled transducers and to inspect the object while submerged (water coupled). It is concluded that immersion tomography offers a compromise solution between energy transfer and automation process. Two models of neuronal networks trained through simulated sinograms are also implemented to reconstruct real cases afterwards. All the algorithms and cases are evaluated both in reconstruction quality and in features. / Gallardo Llopis, C. (2023). Tomografía ultrasónica para la evaluación de daño por gradiente en materiales cementantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194552

El concentrador solar Fixed Mirror Solar Concentrator (FMSC) apareció en los años 70 con la finalidad de reducir costes en la producción de energía termoeléctrica. Este diseño consiste en un concentrador de reflector estacionario y foco móvil, presenta buena integrabilidad en cubiertas, y es capaz de alcanzar temperaturas entre 100 y 200ºC manteniendo una eficiencia aceptable. En esta tesis se expone una metodología para determinar el comportamiento del FMSC. Se ha desarrollado una herramienta de cálculo basada en el método de ray-tracing, que simula el trazado de los rayos solares en el sistema óptico. Con esta herramienta se ha analizado el comportamiento óptico y térmico del FMSC, y de la versión con espejos curvos Curved Slats Fixed Mirror Solar Concentrator (CSFMSC). Se ha realizado un análisis paramétrico para conocer la influencia de los distintos parámetros en el modificador de ángulo (IAM), y para obtener los diseños óptimos a una temperatura de 200ºC para tres climas en diferentes latitudes. Se han comparado los valores teóricos obtenidos mediante ray-tracing con dos prototipos ensayados, obteniendo un buen ajuste en ambos casos. Los ensayos han sido utilizados para determinar la curva de rendimiento de uno de los prototipos. Se ha hecho uso del método propuesto en la norma EN-12975-2:2006, combinado con valores de IAM obtenidos mediante ray-tracing. Se prueba que esta combinación puede ser útil para obtener la curva de rendimiento de colectores complejos con un modelo biaxial para el IAM. / The Fixed Mirror Solar Concentrator (FMSC) appeared during the 70s with the aim of reducing costs in the production of electricity in solar thermal power plants. This design consists of a concentrator with fixed reflector and moving receiver, has a very good integrability into building roofs and can reach temperatures between 100 and 200ºC with an acceptable efficiency. In this Thesis a methodology is presented for the determination of the behaviour of the FMSC. A simulation tool based on the forward ray-tracing method has been developed. The optical and thermal behaviour of the FMSC and its curved mirror variation called the Curved Slats Fixed Mirror Solar Concentrator (CSFMSC), have been analyzed with this tool. A parametric analysis has been carried out in order to determine the influence of the different parameters on the Incidence Angle Modifier (IAM) and to determine the optimal designs at a temperature of 200ºC for three different climates at different latitudes. The theoretical values obtained from the ray-tracing code have been compared with two experimental prototypes. The experimental and numerical results obtained show a good fit. The efficiency curve of one of the prototypes has been determined from the experimental tests. The methodology proposed in the norm EN-12975-2:2006 has been used in combination with IAM values obtained by ray-tracing. It has been shown that this combination can be effectively used to obtain the efficiency curve of complex collectors with a bi-axial IAM model.