En el motor Diesel, uno de los temas que ha despertado gran interés en las últimas décadas es el sistema de inyección, debido a su influencia en los procesos de atomización y formación de la mezcla aire-combustible, los cuales repercuten directamente en las prestaciones y emisiones contaminantes del motor. Con el objetivo de disminuir la brecha científica en el conocimiento del comportamiento del flujo interno y del chorro a la salida del orificio se han llevado a cabo numerosos estudios, tanto teóricos como experimentales, así como de modelado fluidodinámico. Sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, así como su efecto sobre la atomización del combustible y el desarrollo del chorro en sus primeras etapas, muestra aún incertidumbres significativas, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo. En esta Tesis se diseña y pone a punto un sistema para la visualización del flujo interno y el chorro utilizando toberas transparentes. Con este diseño, y con la aplicación de una técnica de visualización de alta resolución espacial, es posible establecer de forma más directa la relación entre las características del flujo en el interior de los orificios y la formación del chorro en sus primeros milímetros. Además, el sistema de visualización permite trabajar con diferentes geometrías y secciones de orificio (planas o cilíndricas), lo cual posibilita caracterizar la influencia de la geometría tanto en el flujo interno como en el chorro. De esta manera, se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la geometría en la formación y desarrollo de la cavitación en el interior del orificio, así como su relación con el colapso del gasto másico. Para ello, se han utilizado diferentes geometrías de toberas planas transparentes con dimensiones cercanas a las reales. Como resultado de este estudio se ha podido observar que toberas con una sección de salida más grande son más propensas a cavitar; también se ha observado que toberas con mayor longitud de orificio necesitan de condiciones más criticas para cavitar y que el colapso del gasto másico se presenta en condiciones de supercavitación. Una vez estudiada la influencia de la geometría en el comportamiento del flujo interno, se analiza la influencia que tiene la aparición y desarrollo de la cavitación en el interior de los orificios sobre la atomización y características del chorro. Como resultado de este estudio se pueden apreciar los diferentes regímenes de atomización y se puede ver que la cavitación hace que aumente de forma significativa tanto el ángulo de apertura del chorro en los primeros milímetros como las irregularidades del contorno del mismo, favoreciendo el proceso de atomización. / Venegas Pereira, ÓH. (2014). Estudio del fenómeno de la cavitación en la inyección Diesel mediante la visualización del flujo interno en orificios transparentes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37375

En la industria alimentaria, como en cualquier otra industria, la mejora de sus procesos productivos es un factor clave para mantener su competitividad e incrementar sus beneficios. Para cumplir este objetivo es necesario incorporar nuevos métodos que mejoren la calidad y eficiencia de estos procesos. Además, en los alimentos actuales cada vez hay una mayor distancia entre el lugar de producción del alimento y el lugar donde se consume aumentando las posibilidades de que se contamine o exista una incertidumbre acerca de su estado. Esto exige sistemas de calidad que puedan inspeccionar el 100% de los alimentos de una forma económica y no destructiva. En esta tesis se propone utilizar para ello técnicas hiperespectrales y tridimensionales. Se ha hecho una revisión del estado del arte de las diferentes técnicas de obtención de información tridimensional así como de sus usos en la industria alimentaria. En base a ello, se han seleccionado las técnicas basadas en luz estructurada (SL), estéreo-visión y tiempo de vuelo (TOF) como las técnicas más apropiadas. Se ha realizado una comparativa entre SL y TOF para la medida en línea de producción de 3 alimentos de origen animal y 3 de origen vegetal. De este estudio se concluye que ambas técnicas son válidas teniendo unos R2 CV medios de 0.85 el TOF y de 0.94 el SL para estimar el volumen de las muestras. Se profundizó en el estudio de SL mediante la resolución del problema de segmentación de raíces en tubérculos. Se trata de un problema difícil de resolver por técnicas clásicas de visión por computador en 2D debido a que las raíces tienen un color muy parecido a los tubérculos. Este problema se resolvió utilizando un modelo Adaboost que clasificó los puntos tridimensionales en raíces o puntos de superficie basándose en un vector de descriptores 3D. En este estudio, se llegó a alcanzar un porcentaje de acierto del 94%. Otro problema resuelto fue la determinación de la compacidad de racimos de uva basándose en descriptores 3D usando técnicas de estéreo visión. Se trata de un componente de calidad complicado de estimar debido al problema de subjetividad ya que actualmente se realiza de forma manual por un panel de expertos siguiendo el descriptor de la OIV Nº204. El método semi-automático desarrollado utiliza nuevos descriptores 3D y un modelo SVM, obteniendo un R2 en predicción de 0.8 para 100 racimos de 10 variedades diferentes. Por otro lado, se ha desarrollado una metodología para la obtención de resultados a partir de imágenes hiperespectrales. Esta metodología se ha aplicado en 3 casos prácticos de diferentes alimentos para medir su frescura, entendiendo frescura como el grado de deterioro de los alimentos respecto a la calidad inicial de los mismos. La frescura actualmente se estima de forma analítica como una combinación de una serie de análisis físico-químicos destructivos. Mediante la captura de imágenes hiperespectrales en el rango SW-NIR se estimó la frescura de los siguientes alimentos en sus envases comerciales con distintos tipos de procesado: pechugas de pollo fileteadas, pavo cocido, jamón cocido y salmón ahumado. Se empezó con la aplicación básica de la metodología desarrollada en el pavo y el jamón cocidos donde se consiguieron unos resultados medios de validación cruzada de R2 0.93 y de 0.9 respectivamente utilizando dos modelos PLSDA para correlar el tiempo con los espectros adquiridos. El siguiente caso práctico se realizó en pechugas de pollo, donde se amplió la metodología básica efectuando una selección de longitudes de onda mediante el algoritmo IPLSDA que redujo de 54 a 13 las variables al mismo tiempo que mejoró los resultados de los modelos PLSDA para estimar la frescura de R2 CV 0.77 a 0.85. También se estudió la influencia del film en cuanto al análisis de frescura con técnicas hiperespectrales, donde se concluyó que éste únicamente atenúa el espectro sin afectar a los resultados. En el último caso práctico se determinó si el salmón ahumado estaba caducado mediante imágenes hiperespectrales. Este caso se enfocó en la fase de segmentación espacial donde se obtuvo los espectros del tejido magro y del tejido graso por separado. Para ello se transformó la imagen hiperespectral a una imagen 2D en RGB empleando un modelo calculado del sistema hiperespectral. Una vez transformadas a imágenes 2D, se segmento la imagen mediante un algoritmo basado en segmentación por color. Se obtuvo un resultado de R2 CV=0.83 con la segmentación espacial propuesta. En este estudió se demostró la necesidad de realizar una buena segmentación espacial en los casos en que las muestras no son homogéneas como es el caso de los diferentes tejidos del salmón. La principal aportación de la tesis es la metodología desarrollada para la combinación de técnicas 3D e hiperespectrales en el sector alimentario. La gran ventaja que se consigue con estos nuevos procedimientos es disponer de una resolución espacial elevada mediante las técnicas 3D y una muy buena resolución espectral con las técnicas hiperespectrales. En esta tesis se presentan dos de las muchas posibilidades de unir ambas técnicas. En la primera de ellas se analizó la información tridimensional del proceso de fermentación de masas de harina. Esta información tridimensional se empleó para distinguir entre harinas supuestamente iguales (según los análisis realizados en la industria) que se comportaron de forma distinta durante la fermentación. Mediante la metodología desarrollada que emplea ambas técnicas, se consiguió predecir a partir de la información hiperespectrales el comportamiento dinámico que tuvo la muestra durante la fermentación. El conocimiento de este comportamiento es de gran interés puesto que por ejemplo permite ahorrar dinero agrupando muestras con tiempos similares de fermentación o seleccionando mejor la materia prima. El segundo caso donde se investigó y desarrolló esta conjunción de técnicas se basó en aprovechar la gran resolución espacial obtenida de las técnicas 3D. Concretamente, se utilizó en la fase de segmentación espacial al procesar imágenes hiperespectrales de dorada. El objetivo de la segmentación en base a la información tridimensional fue obtener la información espectral de zonas específicas del pescado como los ojos donde se puede estimar mejor la frescura. Los resultados de R2 CV fueron de 0.844 al correlacionar los espectros obtenidos de los ojos con el tiempo mediante un PLSDA. El desarrollo de estas técnicas tendrá un gran impacto en la industria agroalimentaria en un futuro próximo, ya que supone una clara innovación tecnológica respecto a realizar análisis físico-químicos destructivos en un subconjunto de las muestras. Estas técnicas permiten realizar el control de calidad y de seguridad de todas las muestras de forma no destructiva mejorando por tanto la calidad, rapidez, seguridad, fiabilidad y coste de los diferentes procesos de la industria alimentaria. / Ivorra Martínez, E. (2015). Desarrollo de técnicas de visión hiperespectral y tridimensional para el sector agroalimentario [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48541

Los compuestos orgánicos conjugados han sido investigados ampliamente debido a su versatilidad para integrarse con otros materiales a través de métodos de bajo coste y a su idoneidad para una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas; por ejemplo, transistores de efecto de campo, células solares, LEDs y láseres, entre otros. Actualmente existe un interés particular en los materiales orgánicos para láser promovido por el desarrollo de aplicaciones biomédicas y de telecomunicaciones. De hecho, el desarrollo de técnicas bottom-up en la síntesis orgánica y de métodos computacionales químico-cuánticos permiten el diseño inteligente de compuestos orgánicos con propiedades a medida que pueden ser beneficiosas para tales aplicaciones. En este sentido, comprender la relación entre las características estructurales de los compuestos orgánicos y sus propiedades optoelectrónicas es una etapa obligatoria en el proceso de diseño. En el desarrollo de esta tesis se evalúan las propiedades fotofísicas de dos familias de compuestos orgánicos –perilenodiimidas y nanografenos– dispersos en matrices inertes con el objetivo de mejorar su funcionamiento como materiales activos para láseres. En particular, se han llevado a cabo tres actuaciones: 1) la investigación sistemática de dos polímeros termoplásticos comerciales, poliestireno y polimetilmetacrilato, como matrices inertes para dispersar compuestos de perilenodiimida con un enfoque en optimizar las propiedades de la guía de ondas y reducir los requisitos de energéticos de los dispositivos; 2) conocer los mecanismos de fotodegradación y quenching de la fotoluminiscencia en derivados de perilenodiimida dispersos en películas de poliestireno con el objetivo de obtener dispositivos más duraderos y eficientes; y 3) estudiar las propiedades fotofísicas de compuestos novedosos de la familia de los nanografenos dispersos en matrices inertes con el fin de comprender la relación entre su estructura –borde, heteroátomos, sustituyentes– y su ganancia óptica. / Ministerio de Economía y Competitividad y Fondo Social Europeo (BES-2016-077681 y MAT2015-66586-R)

Tesis por compendio / [ES] La permitividad es una propiedad física de los materiales que describe su comportamiento en presencia de un campo electromagnético. Los sensores de microondas pueden desempeñar un papel esencial en las tareas de detección, supervisión o control de procesos, ya que algunos parámetros fisicoquímicos de los materiales producen cambios medibles en las propiedades dieléctricas. Además, la tecnología de calentamiento por microondas está adquiriendo una relevancia creciente para la transición ecológica y la descarbonización de los procesos industriales, y la permitividad es el parámetro esencial para el desarrollo exitoso de estos nuevos procesos. La permitividad depende de muchos factores, por lo que los métodos de medición de la permitividad deben adaptarse a las necesidades del material y del entorno de medición. El número de aplicaciones que requieren la monitorización o medida de las propiedades dieléctricas, las altas dependencias de esta magnitud bajo diferentes condiciones, y la necesidad de poner esta tecnología al alcance de un usuario más amplio y menos especializado, justifican el desarrollo de este trabajo. Esta tesis pretende desarrollar nuevos dispositivos para la monitorización y caracterización de dieléctricos adaptados a diferentes entornos, cubriendo un amplio rango de formatos, formas y propiedades de los materiales. Las dos primeras publicaciones incluidas en la tesis describen dos enfoques diferentes para abordar las mediciones de permitividad. El primer artículo describe un instrumento versátil, autónomo y fácil de usar para medir la permitividad de materiales dentro de tubos. El diseño de la cavidad logró una excelente sensibilidad, y el estudio de la red de acoplamiento permitió la caracterización de materiales de pérdidas bajas, moderadas y altas con una misma configuración. Este dispositivo incluye un reflectómetro vectorial portátil propio, lo que lo hace portátil y asequible. Las características del instrumento desarrollado permiten un uso sencillo por parte de personal no especializado y proporcionan versatilidad en muchas situaciones. La segunda publicación presenta el diseño específico de una sonda coaxial de extremo abierto con una mayor sensibilidad para determinar la permitividad de productos alimenticios de altas pérdidas en función de la temperatura a frecuencias de RF. Este artículo destaca la importancia de seleccionar la técnica de medición más adecuada, adaptada al entorno y a las particularidades del material, para la determinación apropiada de la permitividad. Los dos artículos siguientes describen el desarrollo y la utilización de un microscopio de microondas de campo cercano con resolución micrométrica para determinar mapas de permitividad de materiales planos heterogéneos a frecuencias de microondas. En ambos trabajos se describen los diferentes elementos que componen el instrumento del microscopio y las técnicas de análisis para determinar los valores de permitividad a partir de las medidas de los parámetros de la resonancia. En el primer trabajo se empleó por primera vez la tecnología de microondas en aplicaciones contra la falsificación, obteniendo la marca dieléctrica de la marca de agua de un billete. Además, este estudio demostró la capacidad de la energía de microondas para detectar marcas ocultas detrás de capas dieléctricas o metálicas, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de elementos de seguridad ópticamente opacos e imposibles de rastrear por medios ópticos. El segundo estudio demuestra la versatilidad de este sistema para determinar las propiedades dieléctricas de materiales planos heterogéneos midiendo la respuesta dieléctrica de especímenes de roca. Los métodos desarrollados en esta tesis aumentan la cartera de sistemas de caracterización dieléctrica y pueden ayudar a una amplia gama de sectores científicos e industriales en las tareas de monitorización y caracterización dieléctrica, haciendo estos trabajos más cómodos y accesibles. / [CA] La permitivitat és una propietat física dels materials que descriu el seu comportament en presència d'un camp electromagnètic. Els sensors de microones poden exercir un paper essencial en les tasques de detecció, supervisió o control de processos, ja que alguns paràmetres fisicoquímics dels materials produeixen canvis mesurables en les propietats dielèctriques. A més, la tecnologia de calfament per microones està adquirint una rellevància creixent per a la transició ecològica i la descarbonització dels processos industrials, i la permitivitat és el paràmetre essencial per al desenvolupament reeixit d'aquests nous processos. La permitivitat depén de molts factors i, per tant, els mètodes de mesurament de la permitivitat han d'adaptar-se a les necessitats del material i de l'entorn de mesurament. El nombre d'aplicacions que requereixen el monitoratge o mesura de les propietats dielèctriques, les altes dependències d'aquesta magnitud sota diferents condicions, i la necessitat de posar aquesta tecnologia a l'abast d'un usuari més ampli i menys especialitzat, justifiquen el desenvolupament d'aquest treball. Aquesta tesi pretén desenvolupar nous dispositius per al monitoratge i caracterització de dielèctrics adaptats a diferents entorns, cobrint un ampli rang de formats, formes i propietats dels materials. Les dues primeres publicacions incloses en la tesi descriuen dos enfocaments diferents per a abordar els mesuraments de permitivitat. El primer article descriu un instrument versàtil, autònom i fàcil d'usar per a mesurar la permitivitat de materials dins de tubs. El disseny de la cavitat va aconseguir una excel·lent sensibilitat, i l'estudi de la xarxa d'acoblament va permetre la caracterització de materials de pèrdues baixes, moderades i altes amb una mateixa configuració. Aquest dispositiu inclou un reflectòmetre vectorial portàtil propi, la qual cosa el fa portàtil i assequible. Les característiques de l'instrument desenvolupat permeten un ús senzill per part de personal no especialitzat i proporcionen versatilitat en moltes situacions. La segona publicació presenta el disseny específic de una sonda coaxial d'extrem obert amb una major sensibilitat per a determinar la permitivitat de productes alimentaris d'altes pèrdues en funció de la temperatura a freqüències de RF. Aquest article destaca la importància de seleccionar la tècnica de mesurament més adequat, adaptada a l'entorn i a les particularitats del material, per a la determinació apropiada de la permitivitat. Els dos articles següents descriuen el desenvolupament i la utilització d'un microscopi de microones de camp pròxim amb resolució micromètrica per a determinar mapes de permitivitat de materials plans heterogenis a freqüències de microones. En tots dos treballs es descriuen els diferents elements que componen l'instrument del microscopi i les tècniques d'anàlisis per a determinar els valors de permitivitat a partir de les mesures dels paràmetres de la ressonància. En el primer treball es va emprar per primera vegada la tecnologia de microones en aplicacions contra la falsificació, obtenint la marca dielèctrica de la marca d'aigua d'un bitllet. A més, aquest estudi va demostrar la capacitat de l'energia de microones per a detectar marques ocultes darrere de capes dielèctriques o metàl·liques, la qual cosa obri noves possibilitats per al desenvolupament d'elements de seguretat òpticament opacs i impossibles de rastrejar per mitjans òptics. El segon estudi demostra la versatilitat d'aquest sistema per a determinar les propietats dielèctriques de materials plans heterogenis mesurant la resposta dielèctrica d'espècimens de roca. Els mètodes desenvolupats en aquesta tesi augmenten la cartera de sistemes de caracterització dielèctrica i poden ajudar a una àmplia gamma de sectors científics i industrials en les tasques de monitoratge i caracterització dielèctrica, fent aquests treballs més còmodes i accessibles. / [EN] Permittivity is a physical property of materials describing their behavior in the presence of an electromagnetic field. Microwave sensors can play an essential role in detecting, monitoring, or process control tasks as some physicochemical parameters of materials produce measurable changes in dielectric properties. Besides, microwave heating technology is gaining increasing relevance for the ecological transition and decarbonization of industrial processes, and permittivity is the essential parameter for the successful development of these new processes. Permittivity depends on many factors and thus, permittivity measurement methods must be adapted to the needs of the material and the measurement environment. The number of applications that require the monitoring or measurement of dielectric properties, the high dependencies of this magnitude under different conditions, and the need to make this technology available to a broader and less specialized user justify the development of this work. This thesis aims to develop new devices for the monitoring and characterization of dielectrics adapted to different environments, covering a wide range of materials' formats, shapes, and properties. The first two publications included in the thesis describe two different approaches to address permittivity measurements. The first paper describes a versatile, stand-alone, and easy-to-use instrument for measuring the permittivity materials inside tubes. The design of the cavity achieved an excellent sensitivity, and the study of the coupling network allowed the characterization of low, moderate, and high-loss materials with the same setup. This device included an in-house portable vector reflectometer, making it portable and cost-affordable. The features of the developed instrument allow straightforward use by non-specialized personnel and provide versatility in many situations. The second publication presents a specific open-ended coaxial design with increased sensitivity to determine the permittivity of lossy food products as a function of temperature at RF frequencies. This paper highlight the relevance of selecting the most suitable measurement technique, adapted to the environment and particularities of the material, for the appropriate determination of permittivity. The following two papers describe the development and use of a near-field scanning microwave microscope with micrometric resolution to determine permittivity maps of heterogeneous planar materials at microwave frequencies. The different elements comprising the microscope instrument and the analysis techniques to determine permittivity values from the resonance measurements were described throughout both works. In the first paper, microwave technology was employed for the first time in anti-counterfeiting applications by obtaining the dielectric mark of a banknote watermark. Besides, this study showed the ability of microwave energy to detect hidden marks behind dielectric or metallic layers, opening new possibilities for developing optically opaque security features untraceable by optical means. The second study demonstrates the versatility of this system in determining the dielectric properties of heterogeneous planar materials by measuring the dielectric response of rock specimens. The methods developed in this thesis dissertation increase the portfolio of dielectric characterization systems and can help a wide range of scientific and industrial sectors in dielectric monitoring and characterization tasks, making these works more convenient and accessible. / Financial support through the grant reference BES-2016-077296 of the call Convocatoria de las ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores de 2016 by Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and by European Social Funds (ESF) of European Union is also gratefully acknowledged / Gutiérrez Cano, JD. (2022). Microwave Dielectrometry Adapted to Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186351 / Compendio

Este trabajo doctoral aborda problemáticas relacionadas con el área de la acústica en especial temas relacionado con la acústica de la edificación enfatizando en el desarrollo experimental; contribuyendo al desarrollo y validación de procedimientos alternativos para la caracterización del comportamiento vibroacústico de estructuras y la caracterización de materiales. Igualmente, incluye discusiones referentes al estudio fenomenológico de la propagación de ondas sonoras en estructuras de tamaño reducido y la caracterización de materiales absorbentes por lo general usados como lámina intermedia en soluciones constructivas de suelos flotantes. El desarrollo de la investigación se plantea en seis capítulos. En el primero de ellos se explica el objeto de estudio y los antecedentes de la investigación. En segundo lugar, se abordan los conceptos generales que son utilizados en los siguientes capítulos: sistemas discretos y análisis modal, vibración y radiación en vigas, y placas, representación en el espacio-k y holografía acústica de campo cercano-NAH, Método de los Elementos Finitos-MEF y análisis estadístico de la energía-SEA. En los capítulos siguientes se presentan las contribuciones principales del trabajo. Concretamente, en el tercero, se plantea una metodología para el estudio de sistemas tipo viga y se propone un procedimiento experimental alternativo para estudiar sus formas de vibración, analizando el campo sonoro radiado por éstas. En este apartado, también, se discute la validez de los supuestos de SEA, en lo relacionado al estudio de estructuras de tamaño reducido. En el cuarto capítulo, se estudia una estructura en forma de esquina de tamaño reducido con el propósito de considerar la validez en la estimación de los indicadores del aislamiento en la transmisión acústica por vía estructural de la edificación, con énfasis en la caracterización de soluciones constructivas del tipo suelo flotante. En el capítulo quinto, se presenta un procedimiento alternativo basado en NAH para estimar la impedancia de transferencia de materiales absorbentes del tipo poroso- fibroso y se estudia la eficiencia de radiación de estos cuando son instalados sobre un piston circular plano encastrado en una pantalla infinita. En el sexto capítulo se describe un método semianalítico para obtener los parámetros elásticos de intercapas comúnmente usadas en soluciones de suelo flotante. En general, se ha utilizado el MEF como herramienta numérica para la validación de los procesos experimentales. El empleo de este método numérico adquiere mayor relevancia en el sexto capítulo, como herramienta para verificar el método semianalítico propuesto. En síntesis los procedimientos experimentales realizados son contribuciones para facilitar la caracterización vibroacústica de estructuras y la determinación de propiedades elásticas de materiales. Estos procedimientos al ser comparados con técnicas convencionales de medición ofrecen una alta relación señal a ruido, ampliación en el rango de análisis en frecuencia y al emplear secuencias pseudoaleatorias se mantiene la correlación de fase, lo cual permite estudiar temporal y espacialmente los especímenes bajo estudio.

Durante la última década, los métodos de optimización heurísticos basados en imitar a nivel computacional procesos naturales, biológicos, sociales o culturales, han despertado el interés de la comunidad científica debido a su capacidad para explorar eficientemente espacios de soluciones multimodales y multidimensionales. En este ámbito, esta tesis aborda el desarrollo, análisis y puesta a punto de diferentes métodos de optimización tradicionales y heurísticos. En concreto, se considera un método de búsqueda local basado en símplex y varios métodos heurísticos, tales como el recocido simulado, los algoritmos genéticos y la optimización con enjambre de partículas. Para estos dos últimos algoritmos se investigan diferentes esquemas con el objetivo de superar las limitaciones propias de los esquemas clásicos.La puesta a punto de los diferentes métodos de optimización se realiza considerando como problema de referencia la caracterización de la radiación de antenas a partir de medidas en campo próximo sobre geometría plana, utilizando un método de transformación de campo cercano a campo lejano basado en corrientes equivalentes. Para cada método de optimización se incluye un análisis paramétrico, en los casos en los que se ha considerado necesario, así como resultados de transformación de campo teóricos obtenidos para diferentes antenas de apertura y antenas de bocina piramidal. Los resultados de un estudio comparativo, realizado utilizando fuentes teóricas y medidas, demuestran la utilidad del método y permiten concluir que la optimización con enjambre de partículas es el algoritmo que proporciona las mejores prestaciones para esta aplicación.Los métodos de optimización desarrollados e investigados en este trabajo han sido también aplicados a otros problemas como son la síntesis de agrupaciones lineales o el modelado de fuente en aplicaciones de compatibilidad electromagnética. / For the last decade, heuristic optimization methods based on imitating natural, biological, social or cultural processes in a computational way have aroused great interest among the scientific community, due to its ability to explore efficiently multimodal and high-dimension solution spaces. On this basis, this thesis tackles the development, analysis and tuning of different traditional and heuristic optimization methods. In short, a local search method based on simplex and several heuristic methods, such as simulated annealing, genetic algorithms and particle swarm optimization are considered. For these last two algorithms different schemes are investigated so as to overcome the typical limitations of classical schemes.The tuning of the optimization methods is carried out considering as a reference problem the antenna radiation characterization from near-field measurements over a planar geometry, using a near-field to far-field transformation method based on equivalent currents. A parametric analysis is included for each optimization method, in those cases in which it has been considered necessary, as well as theoretical field transformation results obtained with aperture and pyramidal horn antennas. Results of a comparative study, carried out using theoretical sources and measurements, demonstrate the usefulness of the method and make it possible to conclude that the particle swarm optimization is the algorithm that provides the best performance for this application.The optimization methods developed and investigated in this work have also been applied to other problems, such as the synthesis of linear arrays or the source modelling in electromagnetic compatibility applications.

Tesis por compendio / [ES] Las técnicas rápidas, no destructivas y libres de químicos tienen una demanda creciente en muchos campos de la industria. Las técnicas de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) y imágenes hiperespectrales NIR (NIR-HSI) han mostrado un gran potencial para determinar los parámetros de calidad de los alimentos, autenticar productos alimenticios, detectar el fraude, entre otras. En la NIRS, las medidas se toman en puntos específicos, detectando solo una pequeña porción; en la NIR-HSI, la información espectral y espacial se combinan, lo que la convierte en una opción adecuada para muchos productos alimenticios, ya que son matrices muy heterogéneas. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo revisar la aplicación de NIRS (dispersivos), NIR de Transformada de Fourier (FT) y HSI en la evaluación de los parámetros de calidad de harina de trigo y productos a base de trigo, así como para la autenticación y determinación de la composición de estos productos. Además, este trabajo tuvo como objetivo identificar y clasificar diferentes tipos de muestras de fibra agregadas a la semolina y pasta producidas por estas formulaciones, y monitorear el proceso de cocción de esta pasta enriquecida en fibra mediante técnicas espectrales. Además, se objetivó aplicar HSI a otro producto en polvo, por lo que se cuantificó el contenido de pectina en las cáscaras de naranja. Primero, se adquirieron espectros NIR para comparar la precisión en la clasificación de muestras enriquecidas con fibra, para cuantificar la cantidad de estas fibras y verificar su distribución en muestras de semolina. Para la clasificación se utilizaron el Análisis de Componentes Principales (PCA) y el Soft Independent Modelling of Class Analogy (SIMCA). Los modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR) aplicados a espectros NIR-HSI mostraron R²P entre 0,85 y 0,98 y RMSEP entre 0,5 y 1, y los modelos se utilizaron para construir los mapas químicos para verificar la distribución de fibra en las superficies de las muestras. Además, se probó el NIR-HSI junto con Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Squares (MCR-ALS) para investigar la capacidad de evaluación, resolución y cuantificación de la distribución de fibra en la pasta. Los resultados mostraron R²P entre 0.28 y 0.89,% de falta de ajuste (LOF) <6%, varianza explicada sobre 99% y similitud entre espectros puros y recuperados sobre 96% y 98%. Además, se probó VIS/NIR-HSI en el modo de transmisión como una alternativa objetiva para la clasificación de muestras de pasta según el tiempo de cocción. El análisis discriminante lineal (LDA) mostró valores de sensibilidad y especificidad entre 0,14-1,00 y 0,51-1,00, respectivamente, y una tasa de ausencia de error (NER) superior a 0,62. El análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales (PLSDA) mostró valores de sensibilidad y especificidad entre 0,67-1,00 y 0,10-1,00, respectivamente, y NER superiores a 0,80. Los resultados de este trabajo mostraron que la técnica NIR-HSI se puede utilizar para la identificación y cuantificación de la fibra agregada a la semolina. Además, NIR-HSI y MCR-ALS pueden identificar la fibra en la pasta. La HSI en el modo de transmisión demostró ser una técnica adecuada como alternativa objetiva para la clasificación de muestras de pasta según el tiempo de cocción como una forma de automatizar la determinación de los atributos de la pasta. La determinación del contenido de pectina en cáscaras de naranja se investigó usando NIR-HSI. LDA mostró mejores resultados de discriminación considerando tres grupos: bajo (0-5%), intermedio (10-40%) y alto (50-100%) contenido. Los modelos PLSR basados en espectros completos mostraron mayor precisión (R2> 0,93, RMSEP entre 6,50 y 9,16% de pectina) que los basados en pocas longitudes de onda seleccionadas (R2 entre 0,92 y 0,94, RMSEP entre 8,03 y 9,73% de pectina). Los resultados demuestran el potencial de NIR-HSI para cuantificar el contenido de pectina en las cáscaras de naranja, proporcionando una técnica valiosa para los productores de naranja y las industrias de procesamiento. / [CA] Les tècniques ràpides, no destructives i lliures de químics tenen una demanda creixent en molts camps de la indústria. Les tècniques d'espectroscopia d'infraroig proper (NIRS) i d'imatges hiperespectrals NIR (NIR-HSI) han demostrat tindre un gran potencial per a determinar paràmetres de qualitat d'aliments, autenticar productes alimentaris, detectar frau entre altres aplicacions. Mentre que en la NIRS proper les mesures es prenen en punts específics de la mostra i es detecta una porció menuda, en la HSI es combina informació espectral i espacial de tal manera que és una opció adient per a molts tipus de productes alimentaris, ja que són matrius molt heterogènies. Per tant, este estudi va tindre com objectiu revisar tota l'aplicació de NIRS (dispersius), NIR de Transformada de Fourier (FT) i HSI en l'avaluació dels paràmetres de qualitat de la farina de blat i els productes a base de blat, així com per a l'autenticació i determinació de la composició d'estos productes. A més a més, este estudi va tindre com objectiu identificar i classificar diferents tipus de mostres de fibra afegides a la semolina i pasta produïdes per formulació de fibra i semolina, i monitorar mitjançant tècniques espectrals el procés de cocció d'aquesta pasta enriquida amb fibra. A més, este treball va tindre com objectiu aplicar HSI a un altre producte en pols, de tal manera que es va quantificar el contingut de pectina en les corfes de taronja. Primer, es van adquirir espectres NIR per comparar la precisió en la classificació de mostres enriquides amb fibra, per quantificar estes fibres i verificar la seua distribució en mostres de sèmola. Per a la classificació es van emprar l'Anàlisi de Components Principals (PCA) i el SIMCA (Soft Independent Modelling of Class Analogy). Els models de regressió de mínims quadrats parcials (PLSR) aplicats a espectres NIR-HSI mostraren R²P entre 0,85 i 0,98 i RMSEP entre 0,5 i 1% de contingut de fibra, i els models s'utilitzaren per construir els mapes químics per verificar la distribució de fibra en les superficies de les mostres. Així mateix, es va provar NIR-HSI amb Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Square (MCR-ALS) per a investigar la capacitat d'avaluació, resolució i quantificació de la distribució de fibra en la pasta enriquida. Els resultats mostraren un R²P entre 0,28 i 0,89%, lack of fit (LOF)<6%, variància explicada sobre 99% i similitud entre espectres purs i recuperats sobre 96% i 98%. D'altra part, es va provar VIS/NIR-HSI en el mode de transmissió com una alternativa objectiva per a la classificació de mostres de pasta segons el temps de cocció. L'anàlisi discriminant lineal (LDA) va mostrar valors de sensibilitat i especificitat entre 0,14-1,00 i 0,51-1,00 respectivament, i una taxa d'absència d'error (NER) superior a 0,62. L'anàlisi discriminant de mínims quadrats parcials (PLSDA) va mostrar valors de sensibilitat i especificitat entre 0,67-1,00 i 0,10-1,00 respectivament, i NER superiors a 0,80. Els resultats d'este treball mostraren que la tècnica NIR-HSI es pot emprar per a la identificació i quantificació de la fibra afegida a la semolina. A més a més, NIR-HSI i MCR-ALS poden identificar la fibra en la pasta. La HSI en mode de transmissió va demostrar ser una tècnica adient com a alternativa objectiva per a la classificació de mostres de pasta segons el temps de cocció com forma d'automatitzar la determinació dels atributs de la pasta. La determinació del contingut de pectina en corfa de taronja es va investigar emprant NIR-HSI. LDA va mostrar millors resultats de discriminació considerant tres grups: baix (0-5%), intermedi (10-40%) i alt (50-100%). Els models PLSR basats en espectres complets van mostrar major precisió (R2> 0,93, RMSEP entre 6,50 i 9,16% de pectina) que els basats en longituds d’ona seleccionades (R2 entre 0,92 i 0,94, RMSEP entre 8,03 i 9,73% de pectina). Els resultats demostren el potencial de NIR-HSI per a quantificar el contingut de pectina en corfa de taronja i proporcionen una tècnica valuosa per als productors de taronja i les indústries de processament. / [EN] Fast, non-destructive and chemical-free techniques are in increasing demand in many fields of the industry. Near-infrared spectroscopy (NIRS) and NIR hyperspectral imaging (NIR-HSI) techniques have shown great potential in determining food quality parameters, authenticating food products, detecting food fraud, among many other applications. While in near infrared spectroscopy, the measurements are taken at specific points on the sample, detecting only a small portion; in hyperspectral imaging, spectral and spatial information are combined, making it a suitable choice for many food products, since they are very heterogeneous matrices. Therefore, this study aimed to review all the application of (dispersive) NIRS, Fourier Transform (FT) NIR, and HSI in assessing wheat flour and wheat-based products quality parameters, as well for the authentication and determination of composition of these products. Moreover, this work aimed to identify and classify different types of fibre samples added to the semolina and pasta produced by semolina-fibre formulations, and to monitor the cooking process of this fibre-enriched pasta by spectral techniques. In addition, this work had the aim of applying HSI to other powdered product, so the pectin content in orange peels was quantified. First, NIR spectra were acquired to compare the accuracy in the classification of fibre-enriched samples, to quantify the amount of these fibres and verify their distribution on semolina samples. Principal Component Analysis (PCA) and Soft Independent Modelling of Class Analogy (SIMCA) were used for classification. Partial Least Squares Regression (PLSR) models applied to NIR-HSI spectra showed R2P between 0.85 and 0.98, and RMSEP between 0.5 and 1% of fibre content, and the models were used to construct the chemical maps to check the fibre distribution on the samples surface. Moreover, NIR-HSI together with Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Squares (MCR-ALS), was tested to investigate the ability for the evaluation, resolution and quantification of fibre distribution in enriched pasta. Results showed coefficient of determination of validation (R²V) between 0.28 and 0.89, % of lack of fit (LOF) <6%, variance explained over 99%, and similarity between pure and recovered spectra over 96% and 98% in models using pure flour and control as initial estimates, respectively. In addition, VIS/NIR-HSI in the transmission mode was tested as an objective alternative for the classification of pasta samples according to cooking time as way of automating the determination of pasta attributes. Linear Discriminant Analysis (LDA) showed values of sensitivity and specificity between 0.14-1.00 and 0.51-1.00, respectively, and non-error rate (NER) over 0.62. Partial Least Square Discriminant Analysis (PLSDA) showed values of sensitivity and specificity between 0.67 - 1.00 and 0.10-1.00, respectively, and NER over 0.80. The results of the first part of this work showed that NIR-HSI technique can be used for the identification and quantification of fibre added to semolina. Additionally, NIR-HSI and MCR-ALS are able to identify fibre in pasta. Hyperspectral imaging in the transmission mode demonstrated to be a suitable technique as an objective alternative for the classification of pasta samples according to the cooking time as a way of automating the determination of pasta attributes. Determination of pectin content in orange peels was investigated using NIR-HSI. LDA showed better discrimination results considering three groups:low(0-5%), intermediate(10-40%) and high(50-100%) pectin content. PLSR models based on full spectra showed higher precision (R²>0.93, RMSEP between 6.50 and 9.16% of pectin) than those based on few selected wavelengths (R² between 0.92 and 0.94, RMSEP between 8.03 and 9.73%). The results demonstrate the potential of NIR-HSI to quantify pectin content in orange peels, providing a valuable technique for orange producers and processing industries. / This work was supported by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior- Brasil (CAPES) [Finance Code 001]; São Paulo Research Foundation (FAPESP) [grant numbers 2015/24351-2, 2017/17628-3, 2019/06842- 0]; and by projects AEI PID2019-107347RR-C31 and PID2019-107347RR-C32, and the European Union through the European Regional Development Fund (ERDF) of the Generalitat Valenciana 2014-2020. The authors would like to thank Nutrassim Food Ingredients company for the donation of the fibre samples, the support provided by Enrique Aguilar María, Carlos Alberto Velasquez Hernández, Diego Hernández Catalán, Carlos Ruiz Catalá and Andrés Estuardo Prieto López during system installation, experimental analysis and data acquisition. / Teixeira Badaró, A. (2021). Nir Spectral Techniques and Chemometrics Applied to Food Processing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178758 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El cambio climático es una de las amenazas de nuestro tiempo. Los gases de efecto invernadero, como el CO2, son los principales causantes de este fenómeno, siendo necesario disminuir urgentemente sus emisiones. En 2019, la Comisión Europa presentó el "Pacto Verde Europeo", que será clave para alcanzar un objetivo tremendamente ambicioso para nuestra región: la neutralidad climática de aquí a 2050. Las estrategias de descarbonización incluidas en su hoja de ruta van a implicar necesariamente la transición energética de los combustibles fósiles a las energías renovables, reduciendo de forma masiva la liberación de CO2. En este sentido, el desarrollo de tecnologías efectivas de Captura, Almacenamiento y Uso del Carbono (CAUC) permitirá la valorización del CO2, evolucionando hacia una economía de carbono circular. La presente Tesis Doctoral se enmarca en el diseño, síntesis y caracterización de sistemas catalíticos heterogéneos innovadores basados en metales capaces de transformar el CO2 en otros productos de valor añadido. Entre un amplio catálogo de reacciones que "conectan" el CO2 con diversos compuestos basados en carbono, esta Tesis se centrará principalmente en la síntesis de dos moléculas C1 plataforma de interés industrial: el metanol y el metano. Los Capítulos 3 y 4 están dedicados a la síntesis de metanol, un proceso exotérmico limitado termodinámicamente debido a la estabilidad inherente de la molécula de CO2, así como a la presencia de la reacción competitiva RWGS. Por un lado, el Capítulo 3 se centra en el efecto promotor del galio sobre las propiedades estructurales, electrónicas y catalíticas de materiales basados en Cu/ZnO (sistemas CZG). Mediante un enfoque espectroscópico-catalítico multidisciplinar se ha comparado el efecto promotor del Ga3+ dopado en la red de un ZnO tipo wurtzita presente en un catalizador Cu/ZnO/Ga2O3 con el de una fase de galato de zinc (ZnGa2O4). Por otro lado, en el Capítulo 4 se muestra un catalizador bifuncional que contiene nanopartículas de Cu de 2 nm y especies Cu+, con el objetivo de enfrentarse a la inherente baja actividad de estas pequeñas partículas, hecho que impide mejorar la eficiencia atómica de los catalizadores, dificultando así la obtención de resultados catalíticos competitivos en la hidrogenación de CO2. La realización de un estudio espectroscópico detallado (combinado con cálculo teórico y ensayos catalíticos) sobre un catalizador óxido mixto de Cu-Mg-Al derivado de un precursor de hidrotalcita tras calcinación y posterior reducción (CuHT-230) pone de manifiesto el papel clave de los iones Cu+ dopados en estructura en la producción de metanol. El éxito de las tecnologías CAUC a medio-largo plazo dependerá no solo del desarrollo de catalizadores competitivos, sino también de su capacidad para operar en condiciones de reacción más suaves, permitiendo que estos procesos sean viables económicamente. Por ello, el concepto de eficiencia energética se abordará en el Capítulo 5, a través de un innovador diseño de catalizador tipo "shell/core" formado por un núcleo de rutenio metálico y una envoltura de carburo de rutenio, sintetizado via hidrotermal. Este sistema (Ru@EDTA-20) exhibe una actividad excepcionalmente alta para la hidrogenación de CO2 a metano a bajas temperaturas (160-200 °C) con una selectividad a CH4 del 100%, superando a catalizadores de bibliografía que normalmente operan a mayores temperaturas (400-500 °C). Por último, en el Capítulo 6 se estudia un catalizador modelo compuesto por un alumino-silicato bidimensional sintetizado sobre una superficie de Ru(0001), investigación realizada durante mi estancia internacional en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York, EE.UU.). La combinación de estos materiales en el mismo composite permite la creación de un nanoespacio confinado que puede emplearse como nanorreactor. En este proyecto, se seleccionó la reacción de formación de agua como modelo, que se exploró a nivel fundamental en el sincrotrón NSLS-II. / [CA] El canvi climàtic és una de les amenaces del nostre temps. Els gasos d'efecte d'hivernacle, com el diòxid de carboni, són els principals causants d'aquest fenomen, sent necessari reduir urgentment les seues emissions. En 2019, la Comissió Europea va presentar el "Pacte Verd Europeu", que serà clau per a aconseguir un objectiu tremendament ambiciós per a la nostra regió: la neutralitat climàtica d'ací a 2050. Les estratègies de descarbonització incloses en el seu full de ruta implicaran necessàriament la transició energètica dels combustibles fòssils a les energies renovables, reduint de manera massiva l'alliberament de CO2. En aquest sentit, el desenvolupament de tecnologies efectives de Captura, Emmagatzematge i Ús del Carboni (CEUC) permetrà la valorització del CO2, evolucionant cap a una economia de carboni circular. La present Tesi Doctoral s'emmarca en el disseny, síntesi i caracterització de sistemes catalítics heterogenis innovadors basats en metalls capaços de transformar el CO2 en altres productes de valor afegit. Entre un ampli catàleg de reaccions que "connecten" el CO2 amb diversos compostos basats en carboni, aquesta Tesi se centrarà principalment en la síntesi de dues molècules C1 plataforma d'interés industrial: el metanol i el metà. Els Capítols 3 i 4 estan dedicats a la síntesi de metanol, un procés exotèrmic limitat degut tant a l'estabilitat inherent de la molècula de CO2 com a la presència de la reacció competitiva RWGS. D'una banda, el Capítol 3 se centra en l'efecte promotor del gal·li sobre les propietats estructurals, electròniques i catalítiques de materials basats en Cu/ZnO (sistemes CZG). Mitjançant un enfocament espectroscòpic-catalític multidisciplinari s'ha comparat l'efecte promotor del Ga3+ dopat en la xarxa d'un ZnO (wurtzita) present en un catalitzador Cu/ZnO/Ga2O3 amb el d'una fase de ZnGa2O4. D'altra banda, en el Capítol 4 es mostra un catalitzador bifuncional que conté nanopartícules de Cu de 2 nm i espècies Cu+, amb l'objectiu d'enfrontar-se a la inherent baixa activitat d'aquestes petites partícules, fet que impedeix millorar l'eficiència atòmica dels catalitzadors, dificultant així l'obtenció de resultats catalítics competitius en la hidrogenació de CO2. La realització d'un estudi espectroscòpic detallat (combinat amb càlcul teòric i assajos catalítics) sobre un catalitzador òxid mixt de Cu-Mg-Al derivat d'un precursor de hidrotalcita després de calcinació i posterior reducció (CuHT-230) posa de manifest el paper clau dels ions Cu+ dopats en estructura en la producció de metanol. L'èxit de les tecnologies CEUC a mig-llarg termini dependrà no solament del desenvolupament de catalitzadors competitius, sinó també de la seua capacitat per a operar en condicions de reacció més suaus, permetent que aquests processos siguen viables econòmicament. Per això, el concepte d'eficiència energètica s'abordarà en el Capítol 5, a través un innovador disseny de catalitzador tipus "shell/core" format per un nucli de ruteni metàl·lic i un embolcall de carbur de ruteni, sintetitzat mitjançant tractament hidrotermal. Aquest sistema (Ru@EDTA-20) exhibeix una activitat excepcionalment alta per a la hidrogenació de CO2 a metà a baixes temperatures (160-200 °C) amb una selectivitat a CH4 del 100%, superant a catalitzadors de bibliografia que normalment operen a majors temperatures (400-500 °C). Finalment, en el Capítol 6 s'estudia un catalitzador model compost per un alumino-silicat bidimensional sintetitzat sobre una superfície de Ru(0001), investigació realitzada durant la meua estada internacional en el Laboratori Nacional de Brookhaven (Nova York, els Estats Units). La combinació d'aquests dos materials en el mateix "composite" permet la creació d'un nano-espai confinat que pot emprar-se com nano-reactor. En aquest projecte, es va seleccionar la reacció de formació d'aigua com a model, que es va explorar a nivell fonamental en el sincrotró NSLS-II. / [EN] Climate change is one of the existential threats of our times. Greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide, are primary drivers of this phenomenon, and their emissions need to be urgently reduced. In 2019, the European Commission presented the European Green Deal, which will help the EU to attain an ambitious goal for our region: to become carbon-neutral by 2050. The decarbonization strategies included in the roadmap towards net-zero emissions will imply the energy transition from fossil fuels to renewable energies, with a massive reduction of CO2 deliverance. In this sense, the development of effective Carbon Capture and Storage (CCS) and Carbon Capture and Utilization (CCU) technologies will allow the valorization of CO2, evolving into a circular carbon economy. The present Doctoral Thesis focuses on the design, synthesis and characterization of innovative heterogeneous metal-based systems, which are able to transform CO2 into value-added products. Among a wide catalogue of reactions that "connects" CO2 with various carbon-based compounds, this thesis will be devoted to the synthesis of two C1 platform chemicals of industrial interest: methanol and methane. Chapters 3 and 4 are dedicated to methanol synthesis, a highly hampered exothermic process due to the inherent stability of the CO2 molecule and the presence of the competitive reverse water-gas shift reaction (RWSG). On the one hand, Chapter 3 is focused on the promoting effect of gallium on the structural, electronic, and catalytic properties of Cu/ZnO based materials (CZG systems). In particular, the promoting effect of Ga3+-doped in the wurtzite ZnO lattice of a Cu/ZnO/Ga2O3 catalyst is compared to that of a zinc gallate (ZnGa2O4) phase following a multimodal spectroscopic-catalytic approach. In Chapter 4, a bifunctional catalyst containing 2 nm Cu nanoparticles and Cu+ species is presented, to overcome the "assumed" low activity of small copper particles that prevents obtaining high atom efficiency and competitive catalytic results in the CO2 hydrogenation to methanol. A detailed spectroscopic study (combined with theoretical calculations and catalytic tests) performed on a Cu-Mg-Al mixed oxide catalyst derived from a hydrotalcite precursor by calcination and further reduction (CuHT-230) highlights the key role of doped Cu+ ions in methanol production. The success of CCU technologies in the medium-long term will depend not only on the development of competitive catalysts but also on their ability to operate under milder reaction conditions, which will make these processes economically viable. Consequently, the energy efficiency issue will be addressed in Chapter 5 with the innovative design of a core-shell structure formed by a core of metallic ruthenium and a shell of ruthenium carbide, synthesized via hydrothermal treatment. This catalyst (Ru@EDTA-20) exhibits exceptional high activity for CO2 hydrogenation to methane (Sabatier reaction) at low temperatures (160-200 °C) with 100% selectivity to CH4, outperforming the state of the art catalysts operating at 400-500 °C. Finally, Chapter 6 covers the investigation carried out on a model ruthenium-based catalyst composed of a 2D-bilayered aluminosilicate grown over a Ru(0001) surface during my international short-term stay at Brookhaven National Laboratory (New York, USA). The combination of these materials in a composite allows the creation of a confined nano-space that can be exploited as a nano-reactor. In this project, water formation reaction (WFR) was selected as model reaction, which was fundamentally explored at NSLS-II synchrotron. / Cored Bandrés, J. (2022). Innovative Design of Heterogeneous Catalysts with Improved CO2 Hydrogenation Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182403 / Compendio

[ES] El proceso de atomización primaria es el mecanismo por el cual una vena líquida se disgrega en un ambiente gaseoso. Este proceso está presente en muchas aplicaciones de ingeniería realizando diferentes tareas. En ocasiones es un paso previo antes de ser quemado, como en la industria energética o de propulsión, donde el objetivo es extraer la energía específica del líquido. En otros sectores, como el revestimiento o la extinción de incendios, el objetivo es maximizar el área cubierta por el chorro. Sin embargo, aunque la atomización es una parte fundamental de varios procesos industriales, está lejos de comprenderse por completo. El proceso de atomización es una mezcla de fenómenos de interacción gas-líquido dentro de un campo turbulento que tiene lugar en el campo cercano, que es la región más densa del chorro. Cuando se trata de arrojar luz sobre el proceso de atomización primaria, el problema principal es la falta de teorías físicas definitivas capaces de vincular los complejos eventos de ruptura con la turbulencia. El principal obstáculo que impide investigar el proceso de atomización primaria es la incapacidad de las técnicas ópticas clásicas para proporcionar información de la región densa del chorro. Solo en los últimos años, las nuevas técnicas basadas en rayos X podrían proporcionar nueva información sobre las características de la atomización cerca de la salida de la tobera. Esto también afecta a los modelos computacionales de atomización primaria que, al no disponer de información experimental sobre la región densa, requieren una calibración precisa de sus constantes para proporcionar resultados fiables en el campo lejano. Esta tesis se centra en mejorar el conocimiento del proceso de atomización primaria, especialmente en cómo las condiciones de inyección afectan el desarrollo del chorro en el campo cercano desde dos puntos de vista diferentes. Por un lado, con un enfoque computacional usando Direct Numerical Simulations y, por otro lado, experimentalmente usando Near-Field Microscopy. El estudio computacional se centra en variar los números de Reynolds y Weber de inyección. Los resultados muestran que aumentar el número de Reynolds mejora la desintegración del líquido, mostrando un aumento de las gotas generadas y una nube de gotas más fina. Sin embargo, la falta de un perfil turbulento de flujo de entrada completamente desarrollado conduce a comportamientos inesperados en la longitud de ruptura de la vena líquida que también aumenta con el número de Reynolds. El número de gotas también aumenta cuando aumenta el número de Weber, pero los tamaños característicos de las gotas siguen siendo los mismos. La longitud de ruptura no varía, lo que sugiere que las variaciones de la tensión superficial afectan la ruptura de las gotas y los ligamentos, pero no la desintegración del núcleo líquido en sí. Con los resultados obtenidos de ambos estudios, se propone un modelo fenomenológico que predice la distribución del tamaño de gota en función de las condiciones de inyección. Además, también se ha estudiado el efecto de usar toberas elípticas. Se ha obtenido que el número de gotas detectadas aumenta en comparación con el chorro redondo manteniendo ángulos de apertura del chorro similares. Sin embargo, cuando se utilizan toberas extremadamente excéntricas, la disminución de la turbulencia del flujo de entrada contrarresta los beneficios de este tipo de inyectores. En cuanto al análisis experimental, usar Near-Field Microscopy permite magnificar la región densa y analizar las características macroscópicas del chorro. Por lo tanto, se varían las presiones de inyección y descarga, centrándose en el ángulo de apertura del chorro. Se observa el aumento esperado en el ángulo al aumentar tanto la presión de inyección como la de descarga. Sin embargo, adicionalmente, se realiza un análisis de las perturbaciones del contorno del chorro, concluyendo que, al aumentar la presión de inyección, y por lo tanto la turbulencia del flujo de / [CA] El procés d'atomització primària és el mecanisme pel qual una vena líquida es disgrega en un ambient gasós. Aquest procés és present en moltes aplicacions d'enginyeria fent diferents tasques. De vegades és un pas previ abans de ser cremat, com ara en la indústria energètica o de propulsió, on l'objectiu és extraure l'energia específica del líquid. En altres sectors, com ara el revestiment o l'extinció d'incendis, l'objectiu és maximitzar l'àrea coberta pel doll. No obstant això, tot i que l'atomització és una part fonamental de diversos processos industrials, està lluny de comprendre's per complet. El procés d'atomització és una barreja de fenòmens d'interacció gas-líquid dins d'un camp turbulent que té lloc en el camp pròxim, que és la regió més densa del doll. Quan es tracta de donar llum sobre el procés d'atomització primària, el problema principal és la falta de teories físiques definitives capaces de vincular els complexos esdeveniments de trencament amb la turbulència. El principal obstacle que impedeix investigar el procés d'atomització primària és la incapacitat de les tècniques òptiques clàssiques per a proporcionar informació de la regió densa del doll. Només en els últims anys, les noves tècniques basades en raigs X podrien proporcionar nova informació sobre les característiques de l'atomització prop de l'eixida de la tovera. Això també afecta els models computacionals d'atomització primària que, en no disposar d'informació experimental sobre la regió densa, requereixen un calibratge precís de les seues constants per a proporcionar resultats fiables en el camp llunyà. Aquesta tesi se centra a millorar el coneixement del procés d'atomització primària, especialment en com les condicions d'injecció afecten el desenvolupament del doll en el camp pròxim des de dos punts de vista diferents. D'una banda, amb un enfocament computacional usant Direct Numerical Simulations i, d'altra banda, experimentalment usant Near-Field Microscopy. L'estudi computacional se centra a variar els nombres de Reynolds i Weber d'injecció. Els resultats mostren que augmentar el nombre de Reynolds millora la desintegració del líquid, tot mostrant un augment de les gotes generades i un núvol de gotes més fi. No obstant això, la falta d'un perfil turbulent de flux d'entrada completament desenvolupat condueix a comportaments inesperats en la longitud de ruptura de la vena líquida que també augmenta amb el nombre de Reynolds. El nombre de gotes també augmenta quan creix el nombre de Weber, però les grandàries característiques de les gotes continuen sent les mateixes. La longitud de ruptura no varia, la qual cosa suggereix que les variacions de la tensió superficial afecten la ruptura de les gotes i els lligaments, però no la desintegració del nucli líquid en ell mateix. Amb els resultats obtinguts de tots dos estudis, es proposa un model fenomenològic que prediu la distribució de la grandària de gota en funció de les condicions d'injecció. A més, també s'ha estudiat l'efecte d'usar toveres el·líptiques. S'ha obtingut que el nombre de gotes detectades augmenta en comparació amb el doll redó tot mantenint angles d'obertura del doll similars. No obstant això, quan s'utilitzen toveres extremadament excèntriques, la disminució de la turbulència del flux d'entrada contraresta els beneficis d'aquesta mena d'injectors. Quant a l'anàlisi experimental, usar Near-Field Microscopy permet magnificar la regió densa i analitzar les característiques macroscòpiques del doll. Per tant, es varien les pressions d'injecció i descàrrega, tot centrant-se en l'angle d'obertura del doll. S'observa l'augment esperat en l'angle en augmentar tant la pressió d'injecció com la de descàrrega. No obstant això, addicionalment, es realitza una anàlisi de les pertorbacions del contorn del doll i es conclou que en augmentar la pressió d'injecció, i per tant la turbulència del flux d'entrada, augmenten les pertorbacions en el contorn del ruixat, especialment a pressions de descàrrega mé / [EN] The primary atomisation process is the mechanism by which a liquid vein breaks into droplets in a gaseous ambient. This process is present in many engineering applications accomplishing different tasks. Sometimes it is a previous step before being burned, as in the energy or propulsion industry, where the objective is to extract the specific energy of the liquid. In other sectors, such as the coating or fire extinction, the objective is to maximise the area covered by the droplet cloud. However, although atomisation is a fundamental part of several industrial processes, it is far from fully understood. The atomisation process is a mixture of gas-liquid interaction phenomena within a turbulent field that takes place in the near-field, which is the denser region of the spray. When trying to shed light on the primary atomisation process, the main issue is the lack of definitive physical theories able to link the complex breakup events and the turbulence. The principal impediment that prevents the investigation from breaking through the atomisation process is the inability of the classic optical techniques to provide information from the dense region of the spray. Only in the last years, newer techniques based on X-Ray could provide new information on spray characteristics near the nozzle outlet. This also affects the computational primary atomisation models that, as there is no available experimental information on the dense region, require an accurate calibration of their constants to provide reliable results on the far-field. This thesis focuses on improving the knowledge of the primary atomisation process, especially on how the injection conditions affect the spray development in the near field from two different standpoints. On the one hand, with a computational approach using Direct Numerical Simulations and on the other hand, experimentally using Near-Field Microscopy. The computational study is focused on varying the inflow Reynolds and Weber numbers. Results show that increasing the Reynolds number improves the liquid disintegration, exhibiting an increase of generated droplets and a finer droplet cloud. However, the lack of a fully developed inflow turbulent profile leads to characteristic behaviours on the breakup length of the spray that also increases with the Reynolds number. The number of droplets increases when the Weber number increases, but the characteristic droplet sizes remain the same. The breakup length does not vary, suggesting that the surface tension variations affect the droplet and ligament breakup but not the core disintegration itself. With the results obtained from both studies, a phenomenological model is proposed to predict the droplet size distribution depending on the injection conditions. Additionally, using elliptical nozzles, the number of detected droplets increases compared with the round spray and maintain similar spray apertures. However, when using extremely eccentric nozzles, the inflow turbulence decrease counteracts the elliptical sprays' benefits. Regarding the experimental analysis, the Near-Field Microscopy magnifies the dense region and analyses the macroscopic features on the spray. So the injection and discharge pressure are varied, and the spotlight is put on the spray angle. The expected increase in the spray angle when increasing both the injection and discharge pressure is observed. Nevertheless, additionally, an analysis of the spray contour perturbations is performed, concluding that increasing the injection pressure, and thus the inflow turbulence, increases the perturbations on the spray contour, especially at lower discharge pressures. / González Montero, LA. (2022). Computational and Experimental Study of the Primary Atomisation Process under Different Injection Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190635