[ES] En esta tesis se plasma un ejemplo paradigmático de Matemática Industrial: se define un problema real de enorme interés actual, se presenta un modelo matemático del mismo, se resuelve numéricamente mediante métodos de elementos Finitos, se realiza diferentes prototipos y se verifican experimentalmente las predicciones teóricas; además, en este caso particular, los prototipos aquí analizados se llevaron al mercado, cerrando un ciclo que se inicia con el modelado matemático y se termina con la transferencia a la sociedad de una solución competitiva a un problema real. El problema que se aborda en esta tesis se enmarca en el desarrollo de soluciones de iluminación basadas en tecnología de diodos emisores de luz (LED, por su abreviación en inglés) de alta potencia. De hecho, el problema que se afronta es el desarrollo de disipadores pasivos de calor que garanticen la correcta evacuación del calor producido en el dispositivo LED y aseguren su adecuado funcionamiento. Para ello, se modela el problema de transferencia de calor (incluyendo conducción, radiación y convección) en diferentes prototipos, se resuelve con técnicas de Elementos Finitos y se optimizan los diseños propuestos, garantizando siempre que la temperatura de operación del chip LED sea correcta. Una vez realizado este análisis teórico, se construyen los prototipos y se verifican experimentalmente las predicciones realizadas. Por último, en los anexos se recoge una serie de aportaciones complementarias: una sobre el gas de van der Waals y la Geometría de Contacto y otras dos sobre la convergencia de métodos iterativos. / [CA] En aquesta tesi es plasma un exemple paradigmàtic de Matemàtica Industrial: es defineix un problema real d'enorme interès actual, es presenta un model matemàtic del mateix, es resol numèricament mitjançant mètodes d'Elements Finits, es realitza diferents prototips i es verifiquen experimentalment les prediccions teòriques; a més, en aquest cas particular, els prototips aquí analitzats es van dur a mercat, tancant un cicle que s'inicia amb el modelatge matemàtic i s'acaba amb la transferència a la societat d'una solució competitiva a un problema real. El problema que s'aborda en aquesta tesi s'emmarca en el desenvolupament de solucions d'il·luminació basades en tecnologia LED d'alta potència. De fet, el problema que s'afronta és el desenvolupament de dissipadors passius de calor que garanteixin la correcta evacuació de la calor produïda da en el dispositiu LED i assegurin la seva adequat funcionament. Per a això, es modela el problema de transferència de calor (incloent conducció, radiació i convecció) en diferents prototips, es resol amb tècniques d'Elements Finits i s'optimitzen els dissenys proposats, garantint sempre que la temperatura d'operació de l'xip LED sigui correcta. Un cop realitzat aquest anàlisi teòrica, es construeixen els prototips i es verifiquen experimentalment les prediccions realitzades. Finalment, en els annexos es recull una sèrie d'aportacions complementàries: una sobre el gas de van der Waals i la Geometria de Contacte i dues sobre la convergència de mètodes iteratius. / [EN] In this thesis, a paradigmatic example of Industrial Mathematics is captured: a real problem of enormous current interest is defined, a mathematical model of it is presented, it is solved numerically using Finite Element methods, different prototypes are made and the theoretical predictions are experimentally verified; Furthermore, in this particular case, the prototypes analyzed here were brought to the market, closing a cycle that begins with mathematical modeling and ends with the transfer to society of a competitive solution to a real problem. The problem addressed in this thesis is part of the development of lighting solutions based on high-power LED technology. In fact, the problem being faced is the development of passive heat sinks that guarantee the correct evacuation of the heat produced in the LED device and ensure its proper operation. For this, the heat transfer problem (including conduction, radiation and convection) is modeled in different prototypes, it is solved with Finite Element techniques and the proposed designs are optimized, always guaranteeing that the operating temperature of the LED chip is correct. Once this theoretical analysis has been carried out, the prototypes are built and the predictions made are experimentally verified. Finally, the annexes contain a series of complementary contributions: one on van der Waals gas and Contact Geometry and two others on the convergence of iterative methods. / A la Secretarıa de Educación Superior, Ciencia,Tecnología e Innovación (SENESCYT) por el apoyo económico para poder realizar mis estudios en el extranjero con el fin de fortalecer el talento humano en el Ecuador. / Alarcón Correa, DF. (2020). Modelado matemático y simulación numérica de disipadores de calor para luminarias LED. Aplicaciones a alumbrado público [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/155989

Los sistemas flexibles de alta resistencia anclados al terreno son una de las distintas técnicas existentes para la estabilización de taludes, ya sean de roca o de suelos. Están constituidos por una membrana (red de cables o malla de alambre) sujeta al terreno mediante placas de anclaje, cables de refuerzo y bulones. En la mayor parte de los modelos de cálculo existentes se supone un comportamiento activo del sistema, es decir, que evita que se produzcan deslizamientos a través de una supuesta pretensión del sistema y convexidad del terreno. El sistema ejercería una presión normal al terreno que incrementa la tensión tangencial en la superficie potencial de deslizamiento evitando que se alcance la rotura del terreno. En esta tesis se han medido las fuerzas en distintos componentes del sistema desde el momento de la instalación, y se ha comprobado que la pretensión es muy reducida. Por otro lado, la supuesta convexidad del terreno raramente tiene lugar. Todo esto conduce a demostrar la hipótesis de comportamiento pasivo del sistema, es decir, que éste contiene a la masa inestable una vez que se ha producido la rotura. Es por ello que se ha considerado el desarrollar un nueva metodología de cálculo basada en un comportamiento pasivo. La nueva metodología consiste en realizar una simulación numérica dinámica en 2D de la interacción sistema flexible - masa inestable – talud estable. Partiendo de las dimensiones de un círculo de rotura en suelos o una cuña en roca, se deja caer la masa inestable con la fuerza de la gravedad. En su caída, la masa inestable deformará a la membrana, cables de refuerzo y bulones desarrollándose en ellos tensiones que deberán considerarse para su correcto dimensionamiento. En el caso particular de los taludes de suelos, se ha recurrido a la modelización de la masa inestable mediante la discretización por puntos SPH (Smooth Particle Hydrodynamics). / Highly resistant flexible systems anchored to the ground are among the techniques for slope stabilisation, either soil or rock. The system is formed by a membrane (cable net or wire mesh) tightened to the ground through spike plates, reinforcement cables and bolts. In the majority of the existing design models, an active behaviour of the system is considered; which means, that it is able to avoid ground sliding through a pretension of the system and the convexity of the slope surface. The system would exert a normal pressure over the ground that increases the shear stress in the potential slip surface avoiding that failure takes place. In this thesis, forces on different system components have been measured, finding that the pretension force is very low. On the other hand, the supposed ground convexity rarely exists. All this demonstrates that actual system behaviour is passive; which means that it is able to contain the unstable mass once the failure has already occurred. Therefore, a new design methodology based on a passive behaviour has been developed. The new methodology consists in performing a dynamic numerical simulation in 2D of the interaction flexible system – unstable mass – stable slope. Starting from specific known dimensions of slip circle in soils or a wedge in rocks, unstable mass falls only under the action of gravity. During its falling, the unstable mass deforms the membrane, reinforcement cables and bolts. Maximum stresses developed in these components should be considered for their design. In the particular case of soil slopes, unstable mass has been discretised with the mesh free method SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).

A T E N C I Ó ! ! !Per consultar aquesta tesi cal navegar partint del fitxer 0INICI.pdfRESUMENLas variables físicas que describen la mezcla, son perfectamente comparables para experimentos de laboratorio estudiados por un nutrido grupo de investigadores en la dinámica de fluidos medioambientales. En este trabajo se relacionan variables de tipo físicas y biológicas y se destaca el uso de las primeras como ayuda en la interpretación de las variables biológicas, demostrándose su utilidad. Se utilizan además distintos experimentos de laboratorio enfocados al estudio de la dinámica de la mezcla turbulenta en un flujo estratificado inducida por cizalla y a las escalas de las estructuras inducidas por dinámica de la pluma en el delta. Este objetivo se lleva a cabo describiendo las características de un ambientes estuarino y de la pluma por medio de indicadores como el número de Richardson y de Reynolds. Para ello se emplea una metodología avanzada de toma de muestras, técnicas experimentales de laboratorio como procesamiento de imágenes y técnicas numéricas para la modelización de la pluma en la desembocadura del estuario.El estuario bajo estudio se encuentra presente en el delta del Ebro, donde existe la mayor parte de año una cuña estable que es controlada principalmente por los caudales locales del río. Con la finalidad de observar una cuña estable, se realizo una campaña en el mes de julio de 1997. Adicionalmente para la obtención de variable a partir de las cuales puede hacerse una descripción de la dinámica de la mezcla y la obtención de variables biológicas, se desarrollaron una serie de campañas donde se buscaron diferentes condiciones del flujo del río que determina la mezcla en el estuario; estas campañas se realizaron las fechas del 5 de abril de 1998, 12 de julio, 5 de octubre de 1999 y 5 de febrero de 2000. En este trabajo junto al trabajo de campo, se realizan experimentos de laboratorio y simulaciones numéricas; se establece además un criterio cuantitativo del inicio y final de una capa de una estratificación en la columna de agua, se establecen zonas características de la mezcla en el estuario, la distancia de la cabeza de la pluma en cualquier punto del estuario incluyendo la boca a partir de la medida de la densidad mínima en la columna de agua, que la medida de los caudales locales maneja dinámica de la mezcla tanto en el cuerpo del estuario como en la pluma, además de medidas de eficiencia de mezcla, relaciones de la abundancia de organismos típicos de agua marina en el estuario de acuerdo a uno de los descriptores de la mezcla como el número de Reynolds, se describe la dinámica general de la circulación superficial inducida por la pluma en la zona costera adyacente del delta del Ebro por medio del seguimiento de partículas trazadoras y de la circulación en la columna de agua por seguimiento de colorante, por último se comparan las estructuras y escalas dominantes observadas experimentalmente con estructuras observadas por medio de percepción remota y simulaciones numéricas obteniéndose una buena correlación con los tendencias las medidas naturales y experimentales de laboratorio y numéricas. / Physical variables that describe mixing are compared with experimental laboratory results from a large number of studies of mixing dynamics in environmental fluids to find habitat regimes for primary production. The work relates physical and biological variables, and emphasises the utility of laboratory studies. Several laboratory experiments that focused on turbulent mixing dynamics in stratified shear flows are used to describe (a) mixing in the estuary and (b) induced circulation in the river plume. Mixing descriptors as entrainment, Richardson number and Reynolds number and field data were employed, and advanced techniques of laboratory simulations, image processing and numerical modelling were used to match (a) to (b). Four kinds of experiments were used to describe the dynamics in the whole estuary. 1) Mixing turbulence across a density interface generated by an oscillating grid inside a mixing-box. 2) The horizontal advance of a turbulent front in a stratified system with a lateral current, inside a 1 m x 1 m square box. 3) Induced circulation in the delta del Ebro slope and shelf that were performed with an experimental model in a 2 m x 4 m rectangular tank on a 5-m diameter turntable. 4) Dispersion simulations in the river plume with the OCK3D code. Experiments 1 and 2 were developed in the UPC applied physic laboratories in Barcelona, experiments 3 were performed in the SINTEF laboratories in Trondheim and numerical experiments 4 were realized in the LSEET laboratories in Toulon. The estuary under study is the delta of the del Ebro, where a stable saline wedge is present the greater part of the year, driven by the river flow. A field campaign was carried out to observe a complete large stable saline wedge during the month of July of 1997. Additionally, to obtain the physical descriptors, cruises were made on 5 April, 1998, 12 July and 5 October, 1999 and 5 February, 2000 to observe several flow conditions in the river estuary. Particle tracking and optical measurements in the water column were used to study the induced length scale dynamics in the shelf and slope of the delta del Ebro. The dominant structures and scales from SAR images and numerical and laboratory simulations were compared with the field data.With the help of laboratory and field experiments and numerical simulations, qualitative criteria were suggested to determine the extent of the interface ending in a stratified water column, the different mixing characteristic zones within the estuary, and the distance of the estuary head, since elsewhere points in the estuary (including the river mouth) are obtained by means of the minimum density in the water column. Both estuary mixing and plume dynamics are driven by the local flow. In the present analysis of mixing efficiency, the phytoplankton abundance is in accord with the Reynolds number as a mixing descriptor.

S'han estudiat diverses ciclogènesis mediterrànies mitjançant el model atmosfèric MM5,la inversió de vorticitat potencial per peces i la tècnica de la separació de factors. Elsresultats mostren com a agents per a una ciclogènesi intensa: anomalia a nivells alts;confrontació de masses d'aire càlides i fredes a nivells baixos, desenvolupament baroclí;processos diabàtics; el mar; efectes topogràfics; baixa tèrmica; fluxes de calor superficials i les condicions atmosfèriques de l'entorn.S'ha verificat el comportament quasi-tropical dels medicans, com a mescla de la interaciómar-aire i l'existència d'una anomalia de nivells alts, amb una evolució diferent a la delshuracans. S'ha observat l'impacte en les simulacions de medicanes d'assimilar informacióde satèl·lit i de descàrregues elèctriques. S'han desenvolupat millores o nous usos d'algunestècniques emprades: quantificació energètica de la modificació derivada de la inversióde vorticitat potencial, l'ús lagrangià de la separació de factors, modificacions a parts delMM5.

[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