In Nuclear Fusion Technology, MHD flows can be encountered in liquid metal (LM) breeding blankets, the part of a fusion reactor where tritium, one of the fusion fuels, is to be produced. There are several types of LM breeding blankets, which can be classified according to the fraction of the thermal load extracted by the LM. Such classification provides valuable information on liquid metal flow properties. For instance, if no heat removal is carried out by the LM, its velocity can be quite low, what makes buoyancy the predominant force in front of inertia. The flow inside breeding blanket channels can be very complex, particularly in those blanket types where buoyancy plays a relevant role. The understanding of the flow nature, including the possible instabilities that might appear, the exact knowledge of flow profiles for tritium control purposes, and the prediction of thermal fluxes for thermal efficiency analysis are of great interest for blanket design optimization. In this direction, a thermal-MHD coupled simulation tool has been implemented in the OpenFOAM toolkit. The resultant code can be understood as a preliminary predictive tool for liquid metal breeding blanket channel design. The developed code is a transient 3D tool that accounts for thermal-MHD coupling and can deal with several layers of materials. Various MHD modeling strategies have been studied, starting with the implementation of an induced magnetic field formulation and continuing with an electric potential formulation based on the low magnetic Reynolds approximation, in this case using the conservative formula of the Lorentz force proposed by Ni et al. (2007). Two pressure-velocity couplings have been analyzed. The first one is based on a projection method whereas the second one, which has proved to be more robust, follows a PISO-like algorithm (Weller et al. 1998). The thermal coupling has been achieved by means of the Boussinesq hypothesis. The developed tool accounts for the linear wall function for Hartmann boundary layers from Leboucher (1999), which reduces substantially the CPU time of the simulations. The code also accounts for fluid-solid thermal and electrical coupling by means of implicit coupling of fluid and solid grids. Special attention has been placed in correctly coupling liquid-solid energy transport equations by means of the conservative form of the equations in both domains. All along the development process, validation steps have been carried out with successful results. An alternative thermal-MHD tool has also been implemented following the 2D approach from Sommeria and Moreau (1982). Such code accounts for the 0-equation Q2D turbulence RANS model from Smolentsev and Moreau (2006). Three application cases are considered. In the first case, the integrated effect of volumetric heating and magnetic field on tritium transport in a U-bend flow, as applied to the EU HCLL blanket concept, is studied. The second application case corresponds to the thermal analysis of the blanket design that is being developed in the framework of the Spanish National Project on Breeding Blanket Technologies TECNO_FUS (through CONSOLIDER-INGENIO 2010 Programme). The third and last case includes the instability analysis of a pressure-driven MHD flow in a horizontal channel with a constant thermal load. The application cases have not only shown the code capabilities to simulate liquid metal channels in breeding blankets but, also, have provided a useful know-how on flow properties inside those channels. / En Tecnologia de Fusió Nuclear, per descriure la circulació de fluids dins dels embolcalls regeneradors de metall líquid (ML) cal recórrer a la magnetohidrodinàmica (MHD). Un embolcall regenerador (o tritigeni) és la zona d'un reactor de fusió on es produeix triti, un dels combustibles de fusió. Els embolcalls regeneradors de ML poden classificar-se atenent a la fracció de la càrrega tèrmica extreta pel ML. Aquesta classificació proporciona informació valuosa sobre les propietats del flux de metall líquid. Per exemple, si el ML no extreu potència tèrmica, la seva velocitat pot ser bastant baixa, el que implica que la força dominant sigui la flotació en front de la inèrcia. El flux dins dels canals d’un embolcall regenerador pot ser molt complex, especialment en aquells tipus d’embolcall on la flotació juga un paper rellevant. La comprensió de la naturalesa del flux, incloent les inestabilitats que podrien aparèixer, el coneixement exacte dels perfils de flux per al control de triti, i la predicció de fluxos tèrmics per a l’anàlisi de l’eficiència tèrmica són de gran interès per a l’optimització del disseny. En aquest sentit, s’ha implementat un codi de simulació acoblada tèrmica-MHD en l’eina de codi lliure OpenFOAM. El codi resultant pot ser entès com una eina predictiva preliminar per al disseny dels canals de ML dels embolcalls regeneradors. El codi desenvolupat permet el càlcul transitori en 3D amb acoblament tèrmic-MHD i pot tractar amb diverses capes de materials. S’ha estudiat diferents models MHD, començant per la implementació d’una formulació basada en el camp magnètic induït i continuant amb una formulació basada en el potencial elèctric mitjançant l’aproximació per a Reynolds magnètics baixos, en aquest darrer cas utilitzant la fórmula conservativa de la força de Lorentz proposada per Ni et al. (2007). S’han analitzat dos acoblaments pressió-velocitat. El primer acoblament es basa en un mètode de projecció, mentre que el segon, que ha demostrat ser més robust, segueix un algorisme tipus PISO (Weller et al. 1998). L’acoblament tèrmic s'ha modelat per mitjà de la hipòtesi de Boussinesq. El codi desenvolupat compta amb la funció de paret lineal de Leboucher (1999) per a les capes límit de Hartmann, cosa que redueix substancialment el temps de CPU de les simulacions. El codi també inclou acoblament tèrmic i magnètic líquid-sòlid mitjançant l'acoblament implícit de les malles del fluid i del sòlid. S’ha tingut una cura especial en realitzar correctament aquest acoblament fluid-sòlid fent ús de la forma conservativa de l’equació d’energia en ambdós dominis. Al llarg del procés de desenvolupament, s’han dut a terme les corresponents validacions amb resultats satisfactoris. També s'ha implementat un codi tèrmic-MHD alternatiu basat en el model MHD 2D de Sommeria i Moreau (1982). Aquest segon codi té implementat el model RANS de 0-equacions de Smolentsev i Moreau (2006) per a la turbulència Q2D. Els codis desenvolupats s’han emprat en tres casos d’interès. En el primer cas, s’ha estudiat l’efecte integrat de l’escalfament volumètric i el camp magnètic en el transport de triti en un canal en U, com el que es pot trobar en el disseny d’embolcall regenerador UE HCLL. En el segon cas, s’ha realitzat una anàlisi tèrmica del disseny d’embolcall que s’està definint dins del Programa Nacional Espanyol en Tecnologia d’Embolcalls Regeneradors TECNO_FUS (a través del Programa CONSOLIDER-INGENIO 2010). En el tercer i últim cas, s’han analitzat les inestabilitats que tenen lloc en fluxos MHD en canals horitzontals amb gradient de pressió extern, amb camp magnètic transversal i amb una càrrega tèrmica uniforme. Els casos d’aplicació no només han demostrat la capacitat del codi per simular canals de metall líquid en embolcalls regeneradors; també han permès caracteritzar el flux a l’interior d’aquests canals.

Orientador: Elias Basile Tambourgi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T05:25:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mesquita_AmirZacarias_D.pdf: 6016264 bytes, checksum: 00f6515432485b46007d7639b12802fc (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O Reator Nuclear de Pesquisa TRIGA IPR-RI completou em novembro de 2004, 44 anos de operação. Inicialmente sua potência máxima era de 30 kW térmicos, posteriormente acrescentaram-se mais elementos combustíveis ao núcleo aumentando a potência para 100 kW, sendo esta a atual potência licenciada. Novos combustíveis foram acrescentados recentemente permitindo que a potência atinja níveis de 250 kW. O TRIGA IPR-RI é um reator de piscina com o núcleo refrigerado por circulação natural. Apesar dos vários trabalhos de pesquisa realizados nesta instalação, notadamente em ativação neutrônica, existe uma carência de dados termo-hidráulicos teóricos e experimentais sobre seu funcionamento. Sendo assim rea1izou-se-se uma série de testes experimentais dando enfoque a medidas de temperatura no centro do elemento combustível, no núcleo e no poço, com o reator operando em vários níveis de potência. As experiências aqui relatadas fazem parte da programação de pesquisas do CDTN/CNEN, que têm como objetivo comissionar o Reator TRIGA IPR-RI para a operação rotineira a 250 kW. Este trabalho descreve os estudos analíticos e experimentais realizados com o intuito de determinar a distribuição das temperaturas no reator. Desenvolveu-se uma metodologia para a calibração e monitoração da potência dissipada pelo núcleo, implantando assim novos canais de medida de potência por processo térmico. A condutividade térmica do elemento combustível e o coeficiente de transferência de calor de seu revestimento para o refrigerante foram avaliados experimentalmente. Foi proposta uma formulação para a determinação do valor da condu1ância na interface entre combustível e seu revestimento (gap). Os resultados experimentais foram comparados com valores teóricos encontrados na literatura. Como subsídio às experiências, desenvolveu-se um sistema e um programa de coleta e processamento de dados para o reator, capaz de acompanhar em tempo real e registrar seus - principais parâmetros operacionais. As experiências realizadas permitiram uma melhor compreensão do comportamento termofluidodinâmico do reator, ajudando no aperfeiçoamento de sua modelagem e contribuindo para a sua segurança operacional / Abstract: The TRIGA-IPR-R1 Research Nuclear Reactor has completed 44 years in operation in November 2004. Its initial nominal thermal power was 30 kW. In 1979 its power was increased to 100 kW by adding new fuel elements to the reactor. Recently some more fuel elements were added to the core increasing the power to 250 kW. The TRIGA-IPR-R1 is a pool type reactor with a natural circulation core cooling system. Although the large number of experiments had been carried out with this reactor, mainly on neutron activation analysis, there is not many data on its thermal-hydraulics processes, whether experimental or theoretical 80 a number of experiments were carried out with the measurement of the temperature inside the fuel element, in the reactor core and along the reactor pool. During these experiments the reactor was set in many different power levels. These experiments are part of the CDTN/CNEN research program, and have the main objective of commissioning the 1RIGA-IPR-Rl reactor for routine operation at 250 kW. This work presents the experimental and theoretical analyses to determine the temperature distribution in the reactor. A methodology for the calibration and monitoring the reactor thermal power was also developed. This methodology allowed adding others power measuring channels to 1he reactor by using thermal processes. The fuel thermal conductivity and the heat transfer coefficient from the cladding to the coolant were also experimentatly valued. It was also presented a correlation for the gap conductance between the fuel and the cladding. The experimental results were compared with theoretical calculations and with data obtained from technical literature. A data acquisition and processing system and a software were developed to help the investigation. This system allows on line monitoring and registration of the main reactor operational parameters. The experiments have given better comprehension of the reactor thermal-fluid - dynamics and helped to develop numerical models, contributing to operational safety improvements / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

La demanda de climatització ha augmentat en els últims anys a causa de l'escalfament global i als estàndards de confort que han augmentat no només als països desenvolupats, sinó també als països en desenvolupament, on la deshumectación té una gran importància. Els sistemes dessecants híbrids són una tecnologia molt eficient quan la temperatura i la humitat han de ser controlats. En aquest sentit, els sistemes dessecants líquids ofereixen interessants avantatges quan es comparen amb els sistemes dessecants sòlids. No obstant això, la corrosió és un problema que encara no ha pogut ser resolt en els líquids. El principal objectiu d'aquesta tesi és realitzar un estudi teòric i experimental d'un sistema híbrid basat en dessecants líquids que utilitza materials no corrosibles i econòmicament viables, mantenint unes bones prestacions del sistema i aconseguint una alta eficiència energètica. El sistema dessecant líquid, al que se li ha acoblat una bomba de calor de compressió de vapor, conté contactores d'aire-solució no adiabàtics de polipropilè, al que se li ha realitzat un tractament superficial de plasma que millora la mojabilidad dels tubs. Aquest tractament millora la transferència de calor i de massa i, per tant, les prestacions globals del sistema. Després de ser dissenyat, dimensionament i muntat, el sistema està operant en dos vestuaris en Taipei (Taiwan). Les prestacions experimentals dels contactores d'aire-solució i del sistema complet durant la seva operació s'han avaluat. La màxima producció de fred mesurada en el sistema és 34 kW i la màxima deshumectación és gairebé 0.012 kgw/kga. A més, el sistema ha aconseguit un bon control de la temperatura i de la humitat. Així mateix, el sistema ha estat modelat per ser simulat dinàmicament. Aquest model ha estat validat amb els resultats experimentals del sistema real. Finalment, el model dinàmic ha estat utilitzat per conèixer les condicions d'operació i l'estratègia de control que optimitzen les prestacions anuals del sistema. / La demanda de climatización ha aumentado en los últimos años debido al calentamiento global y a los estándares de confort que han aumentado no sólo en los países desarrollados, sino también en los países en desarrollo, donde la deshumectación tiene una gran importancia. Los sistemas desecantes híbridos son una tecnología muy eficiente cuando la temperatura y la humedad han de ser controlados. En este sentido, los sistemas desecantes líquidos ofrecen interesantes ventajas cuando se comparan con los sistemas desecantes sólidos. Sin embargo, la corrosión es un problema que todavía no ha podido ser resuelto en los líquidos. El principal objetivo de esta tesis es realizar un estudio teórico y experimental de un sistema híbrido basado en desecantes líquidos que utiliza materiales no corrosibles y económicamente viables, manteniendo unas buenas prestaciones del sistema y consiguiendo una alta eficiencia energética. El sistema desecante líquido, al que se le ha acoplado una bomba de calor de compresión de vapor, contiene contactores de aire-solución no adiabáticos de polipropileno, al que se le ha realizado un tratamiento superficial de plasma que mejora la mojabilidad de los tubos. Este tratamiento mejora la transferencia de calor y de masa y, por tanto, las prestaciones globales del sistema. Después de ser diseñado, dimensionado y montado, el sistema está operando en dos vestuarios en Taipei (Taiwán). Las prestaciones experimentales de los contactores de aire-solución y del sistema completo durante su operación se han evaluado. La máxima producción de frío medida en el sistema es 34 kW y la máxima deshumectación es casi 0.012 kgw/kga. Además, el sistema ha conseguido un buen control de la temperatura y de la humedad. Asimismo, el sistema ha sido modelado para ser simulado dinámicamente. Este modelo ha sido validado con los resultados experimentales del sistema real. Finalmente, el modelo dinámico ha sido utilizado para conocer las condiciones de operación y la estrategia de control que optimizan las prestaciones anuales del sistema. / The air conditioning demand is rising in the last years because of the global warming and the increasing of the standard of living that is happening not only in industrial countries, but also in developing countries, where dehumidification has a great impact. Hybrid desiccant systems are a very efficient HVAC technology when humidity and temperature are required to be separately controlled. In this sense, liquid desiccant systems offer attractive benefits in comparison with solid desiccant systems. However, corrosion is a big issue to be solved in them. The main objective of this thesis is to make a theoretical and an experimental study of a hybrid liquid desiccant system using rustproof and cost-effective materials, keeping a good performance of the system and achieving high energy efficiency. The liquid desiccant system, which is coupled with a vapour compression heat pump, contains non-adiabatic air-solution contactors made of polypropylene with a plasma surface treatment that improves the wettability of the tubes. This treatment enhances the heat and mass transfer, and, therefore, the global performance of the system. After being designed, sized and assembled, the system is operating in two locker rooms in Taipei (Taiwan). The experimental performance of the air-solution contactors and the complete system during its operation is evaluated. The maximum cooling production measured of the system is 34 kW and the maximum dehumidification is almost 0.012 kgw/kga. Furthermore, good control of air temperature and humidity is achieved. Moreover, the system has been modelled in order to be dynamically simulated. This model has been validated with the experimental results obtained from the real system. Finally, the dynamic model has been used in order to find out the operational conditions and control strategy that optimize the annual performance of the hybrid liquid desiccant system.

The present thesis aims at developing robust numerical and experimental methods for the simulation of composite adhesive joints. Firstly, a new method for the experimental characterization of adhesive joints is presented. The proposed method widens the range of applicability of the existing methods at the same time that lowers the uncertainty of the results. By means of this method, a critical study on the validity of the existing experimental methods is presented, as well as the thorough characterization of an adhesive in terms of the cohesive laws of the material. The experimental evidences are analyzed to obtain a guideline for the simulation of adhesive joints and a formulation of a new cohesive elements is presented. The proposed formulation allows the simulation of the elastic response, damage and failure of adhesive layers by using experimentally measurable material properties, with no further calibrations required. / L’objectiu de la present tesi és el desenvolupament de mètodes numèrics i experimentals robustos per a la simulació de la fractura en unions adhesives de material compòsit. En primer lloc es presenta un nou mètode per a la caracterització experimental d’unions adhesives que amplia el rang d’aplicació dels mètodes existents i en disminueix la incertesa. A partir d’aquí, es realitza un estudi crític sobre la idoneïtat dels mètodes de caracterització d’unions adhesives existents i es presenta la caracterització exhaustiva d’un adhesiu en termes de la llei cohesiva del material. Les evidencies experimentals obtingudes s’analitzen per tal de proporcionar les directrius necessàries per a la simulació d’unions adhesives i es presenta la formulació d’un nou element cohesiu per modelar la resposta elàstica, el dany i la fallada d’adhesius. El model proposat permet l’ús de propietats del material mesurables experimentalment, sense la necessitat de dur a terme ajustaments o calibratges addicionals.

This thesis presents some contributions to the state-of-the-art of the fields of gain-scheduling and fault tolerant control (FTC). In the area of gain-scheduling, the connections between the linear parameter varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) paradigms are analyzed, showing that the methods for the automated generation of models by nonlinear embedding and by sector nonlinearity, developed for one class of systems, can be easily extended to deal with the other class. Then, two measures, based on the notions of overboundedness and region of attraction estimates, are proposed in order to compare different models and choose which one can be considered the best one. Later, the problem of designing state-feedback controllers for LPV systems has been considered, providing two main contributions. First, robust LPV controllers that can guarantee some desired performances when applied to uncertain LPV systems are designed, by using a double-layer polytopic description that takes into account both the variability due to the varying parameter vector and the uncertainty. Then, the idea of designing the controller in such a way that the required performances are scheduled by the varying parameters is explored, which provides an elegant way to vary online the behavior of the closed-loop system. In both cases, the problem reduces to finding a solution to a finite number of linear matrix inequalities (LMIs), which can be done efficiently using the available solvers. In the area of fault tolerant control, the thesis first shows that the aforementioned double-layer polytopic framework can be used for FTC, in such a way that different strategies (passive, active and hybrid) are obtained depending on the amount of available information. Later, an FTC strategy for LPV systems that involves a reconfigured reference model and virtual actuators is developed. It is shown that by including the saturations in the reference model equations, it is possible to design a model reference FTC system that automatically retunes the reference states whenever the system is affected by saturation nonlinearities. In this way, a graceful performance degradation in presence of actuator saturations is incorporated in an elegant way. Finally, the problem of FTC of unstable LPV systems subject to actuator saturations is considered. In this case, the design of the virtual actuator is performed in such a way that the convergence of the state trajectory to zero is assured despite the saturations and the appearance of faults. Also, it is shown that it is possible to obtain some guarantees about the tolerated delay between the fault occurrence and its isolation, and that the nominal controller can be designed so as to maximize the tolerated delay. / Aquesta tesi presenta diverses contribucions a l'estat de l'art del control per planificació del guany i del control tolerant a fallades (FTC). Pel que fa al control per planificació del guany, s'analitzen les connexions entre els paradigmes dels sistemes lineals a paràmetres variants en el temps (LPV) i de Takagi-Sugeno (TS). Es demostra que els mètodes per a la generació automàtica de models mitjançant encastament no lineal i mitjançant no linealitat sectorial, desenvolupats per una classe de sistemes, es poden estendre fàcilment per fer-los servir amb l'altra classe. Es proposen dues mesures basades en les nocions de sobrefitació i d'estimació de la regió d'atracció, per tal de comparar diferents models i triar quin d'ells pot ser considerat el millor. Després, es considera el problema de dissenyar controladors per realimentació d'estat per a sistemes LPV, proporcionant dues contribucions principals. En primer lloc, fent servir una descripció amb doble capa politòpica que té en compte tant la variabilitat deguda al vector de paràmetres variants i la deguda a la incertesa, es dissenyen controladors LPV robustos que puguin garantir unes especificacions desitjades quan s'apliquen a sistemes LPV incerts. En segon lloc, s'explora la idea de dissenyar el controlador de tal manera que les especificacions requerides siguin programades pels paràmetres variants. Això proporciona una manera elegant de variar en línia el comportament del sistema en llaç tancat. En tots dos casos, el problema es redueix a trobar una solució d'un nombre finit de desigualtats matricials lineals (LMIs), que es poden resoldre fent servir algorismes numèrics disponibles i molt eficients. En l'àrea del control tolerant a fallades, primerament la tesi mostra que la descripció amb doble capa politòpica abans esmentada es pot utilitzar per fer FTC, de tal manera que, en funció de la quantitat d'informació disponible, s'obtenen diferents estratègies (passiva, activa i híbrida). Després, es desenvolupa una estratègia de FTC per a sistemes LPV que fa servir un model de referència reconfigurat combinat amb la tècnica d'actuadors virtuals. Es mostra que mitjançant la inclusió de les saturacions en les equacions del model de referència, és possible dissenyar un sistema de control tolerant a fallades que resintonitza automàticament els estats de referència cada vegada que el sistema es veu afectat per les no linealitats de la saturació en els actuadors. D'aquesta manera s'incorpora una degradació elegant de les especificacions en presència de saturacions d'actuadors. Finalment, es considera el problema de FTC per sistemes LPV inestables afectats per saturacions d'actuadors. En aquest cas, es porta a terme el disseny de l'actuador virtual de tal manera que la convergència a zero de la trajectòria d'estat està assegurada tot i les saturacions i l'aparició de fallades. A més, es mostra que és possible obtenir garanties sobre el retard tolerat entre l'aparició d'una fallada i el seu aïllament, i que el controlador nominal es pot dissenyar maximitzant el retard tolerat.

En la investigació de la fusió termonuclear controlada per confinament magnètic es important conèixer el transport d'energia en els plasmes, doncs aquest transport és el que fa que es refredi més o menys ràpidament amb el que s'obtindran o no les reaccions de fusió. El transport d'energia en els plasmes es majoritàriament turbulent o anòmal, fins la data no hi ha una teoria que expliqui satisfactòriament aquest tipus de transport, por tant per poder realitzar estudis i extrapolacions s'utilitzen models semiempírics en codis de simulació validats. Un d'aquests codis de simulació és PRETOR-Stellarator, utilitzat i millorat durant la realització d'aquesta tesi.Per altra banda un aspecte important dels dispositius de fusió son els diagnòstics, eines imprescindibles per comprendre les propietats del plasma confinat al seu interior. Un dels diagnòstics instal·lats en el stellarator heliac flexible TJ-II del "Laboratorio Nacional de Fusión" de Madrid és l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega. Durant aquesta tesi s'ha aprofundit en el seu estudio per després poder analitzar els seus resultats.Amb la següent generació de màquines de fusió és pretén augmentar les prestacions i arribar a demostrar la viabilitat d'aquesta tecnologia per produir electricitat. Per això les màquines han de ser molt més grans i, per tant, més cares i complexes. Por això diversos països han col·laborat en el disseny i, en el futur, construcció del dispositiu. Per a que els científics de tots els països participants puguin beneficiar-se de les dades obtingudes per les noves màquines es fan imprescindibles les eines de participació remota. Un dels punts principals d'aquesta tesi és la utilització d'aquest tipus d'eines pel funcionament de l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega.En aquesta tesi s'han realitzat diferents estudis de transport de la calor pels electrons en el plasma. Primer s'ha acabat de validar el codi PRETOR-Stellarator amb dades de descàrreges de TJ-II obtingudes mitjançant la participació remota. Seguidament s'ha introduït una modificació del codi que permet simular amb més exactitud la part central del plasma, amb aquestes modificacions s'ha realitzat un estudi del mode de confinamient millorat de TJ-II.Amb l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega s'han realitzat una sèrie de mesures destinades a comprovar les asimetries poloidals de fuga de ions del plasma i després s'ha intentat ver la influència de la inducció de corrent en el plasma en la temperatura dels ions.Finalment amb dades obtingudes de l'espectròmetre d'intercanvi de càrrega s'ha realitzat un estudi del transport del calor pels ions. Primer s'ha realitzat fins un radi efectiu de 0.6 aproximadament i després, gràcies a una millora del diagnòstic, s'ha pogut completar el perfil radial fins fora de l'última superfície de flux tancada. Això és una novetat, ja que fins ara no s'havia fet, a més com a resultat dóna una temperatura dels ions totalment plana al llarg de tot el radi i fins i tot fora d'aquesta última superfície tancada de flux.Amb aquesta tesi s'han provat eines de participació remota comprovant que són aptes per la seva utilització en grans instal·lacions científiques. A més s'ha aprofundit el coneixement dels plasmes de TJ-II. També s'ha acabat de validar el codi PRETOR-Stellarator, amb el que es té una eina útil per la simulació de plasmes de fusió. / En la investigación de la fusión termonuclear controlada por confinamiento magnético es importante conocer el transporte de energía en los plasmas, pues este transporte es el que hace que se enfríe más o menos rápidamente con lo que se obtendrán o no las reacciones de fusión. El transporte de energía en los plasmas es mayoritariamente turbulento o anómalo, hasta la fecha no hay una teoría que explique satisfactoriamente este tipo de transporte, por tanto para poder realizar estudios y extrapolaciones se utilizan modelos semiempíricos en códigos de simulación validados. Uno de estos códigos de simulación está PRETOR-Stellarator, utilizado y mejorado durante la realización de esta tesis.Por otra parte un aspecto importante de los dispositivos de fusión son los diagnósticos, herramientas imprescindibles para comprender la propiedades del plasma confinado en su interior. Uno de los diagnósticos instalados en el stellarator heliac flexible TJ-II del Laboratorio Nacional de Fusión de Madrid es el espectrómetro de intercambio de carga. Durante esta tesis se ha profundizado en su estudio y manejo para después poder analizar sus resultados.Con la siguiente generación de máquinas de fusión se pretende aumentar las prestaciones y llegar a demostrar la viabilidad de esta tecnología para producir electricidad. Para ello la máquinas deben ser mucho mayores y, por tanto, más caras y complejas. Por esto diversos países han colaborado en el diseño y, en el futuro, construcción del dispositivo. Para que los científicos de todos los países participantes puedan beneficiarse de los datos obtenidos por la nuevas máquinas se hacen imprescindibles las herramientas de participación remota. Uno de los puntos principales de esta tesis es la utilización de este tipo de herramientas para el manejo del espectrómetro de intercambio de carga, con lo que es un ejemplo para el futuro.En esta tesis se han realizado diferentes estudios de transporte de calor por los electrones en el plasma. Primero se ha acabado de validar el código PRETOR-Stellarator con datos de descargas de TJ-II obtenidos mediante la participación remota. Seguidamente se ha introducido una modificación del código que permite simular con mayor exactitud la parte central del plasma, con estas modificaciones se ha realizado un estudio del modo de confinamiento mejorado de TJ-II.Con el espectrómetro de intercambio de carga se han realizado una serie de medidas destinadas a comprobar las asimetrías poloidales de fuga de iones del plasma y después se ha intentado ver la influencia de la inducción de corriente en el plasma en la temperatura de los iones.Finalmente con datos obtenidos del espectrómetro de intercambio de carga se ha realizado un estudio del transporte del calor por los iones. Primero se ha realizado hasta un radio efectivo de 0.6 aproximadamente y después, gracias a una mejora del diagnóstico, se ha podido completar el perfil radial hasta fuera de la última superficie de flujo cerrada. Esto último es una novedad, ya que hasta ahora no se había hecho, además da como resultado una temperatura de los iones totalmente plana a lo largo de todo el radio e incluso fuera de esta última superficie cerrada de flujo.Con esta tesis se han probado herramientas de participación remota comprobando que son aptas para su empleo en grandes instalaciones científicas. Además se ha profundizado el conocimiento de los plasmas de TJ-II. También ha acabado de validar el código PRETOR-Stellarator, con lo que se tiene una herramienta útil para la simulación de plasmas de fusión. / In the magnetic confinement cotrolled thermonuclear fusion research it is important to know the energy transport in plasmas, because the transport makes the plasma get cold more or less quickly and so obtain more or less fusion reactions. The energy transport in plasmas is mainly turbulent or anomalous, since now there is not a theory that explains correctly this kind of transport, so in order to make studies and extrapolations it is mandatory to use semiempirical models in validated simulation codes. Among these simulation codes it is PRETOR-Stellarator, used and upgraded during the realization of this thesis.Another important aspect in the fusion devices are the diagnostics, indispensable tools for understanding the plasma properties of the device. One of the diagnostics installed in the stellarator flexible heliac TJ-II from "Laboratorio Nacional de Fusión" (Madrid) is the charge exchange spectrometer. A deep study and operation of it has been done to analize some of its results during the thesis.The next generation of fusion devices will improve its features and demonstrate the viability of this technology to produce electricity. To achieve these goals the machines must be bigger than the present-day ones, and therefore more expensive and complex. To avoid these problems some countries have collaborated in the design and, in the future, will collaborate in the construccion of the device. The scientists participating in the construction of the device would acces to the data collected in the machine by remote participation techniques, no matter where their laboratories were. One of the main points of this thesis is the use of remote participation techniques to operate the charge exchange spectrometer, so this can be a good example for the future.Some electron heat transport studies have been done during this thesis. First of all PRETOR-Stellarator has been validated whit TJ-II shots obtained by remote participation techniques. After, a modification of the code has been done in order to simulate with more precition the central part of the plasma, with these modifications an study of the improved confinement regime of TJ-II has been done.A series of measurements with the charge exchange spectrometer have been done to comprove the asimetric poloidal ion losses in the plasma. Moreover the influence of an induced current in ion temperature has been investigated.Finally, with the charge exchange spectrometer data an ion heat transport study has been done. First and study until an effective radius of 0.6 has been done and, after an upgrade of the diagnostic, it has been completed to the last closed flux surface. This last action is a novelty because never has been done in TJ-II. As a main result of these measurements results an ion temperature profile flat along the whole radius, also out of the last closed flux surface.In this thesis some remote praticipation tools have been tested resulting that they are effective for their use in big scientific instalations. Furthermore the knowledge of TJ-II plasmas has been increased. Also the PRETOR-Stellartor has been validated, resulting an useful tool for the plasma simulations.

An interesting approach in cooperative control is to design distributed control strategies which use only local information so that a multi-agent system achieves specified behaviors. A basic behavior in cooperative control is the consensus. Given a multi-agent system, like a multiple robot network, it is said that the agents reach a consensus if the state of each agent converges to a common state. Examples of cooperative tasks in which consensus algorithms are employed include formation control, flocking theory, rendezvous problems and synchronization. These cooperative tasks have several possible applications, like: transportation systems (intelligent highways, air-traffic control); military systems (formation flight, surveillance, reconnaissance, cooperative attack and rendezvous) and mobile sensor networks (space-based interferometers, environmental sampling). The solution to the consensus problems involves the design of control algorithms such that the agents can reach an agreement on their states. There are two main problems that are studied in consensus, the leader-follower consensus and the leaderless consensus. In the leader-follower consensus problem, there exists a leader that specifies the state for the whole group while in a leaderless consensus problem, there is not a priori reference state. The main goal of this thesis is the design of operational space controllers that solve the leader-follower and the leaderless consensus problems in networks composed of multiple heterogeneous robots. Furthermore, this document proposes novel operational space control schemes for bilateral teleoperation systems. In both scenarios, different conditions are studied, such as the absence of robot velocity measurements, constant and variable time-delays in the robot's interconnection, and uncertainty in the robot's physical parameters. Most of the previous consensus control algorithms, only work with the position or orientation but not with both. On the contrary, this dissertation deals with the entire pose of the robots that contains both the position and the orientation. Moreover, in order to render a singularity-free description of the orientation, the unit-quaternions are employed. The dissertation provides a rigorous stability analysis of the control algorithms and presents simulations and experiments that validate the effectiveness of the proposed controllers. / Un enfoque interesante en el control cooperativo es el diseño de estrategias de control distribuido que requieran sólo información local para que un sistema multi-agente logre comportamientos específicos. Un comportamiento básico del control cooperativo es el consenso. Dado un sistema multi-agente, como una red de múltiples robots, se dice que los agentes llegan a un consenso si el estado de cada agente converge a un estado común. Algunos ejemplos de tareas cooperativas en las que los algoritmos de consenso son utilizados son los siguientes: el control de la formación, flocking, rendezvous y sincronización. Estas tareas cooperativas tienen varias aplicaciones posibles, como: sistemas de transporte (carreteras inteligentes , control de tráfico aéreo); sistemas militares (vuelo en formación, vigilancia, reconocimiento, ataque cooperativo) y redes de sensores móviles (interferómetros en el espacio, el muestreo del ambiente). La solución a los problemas de consenso implica el diseño de algoritmos de control de tal manera que los agentes pueden llegar a un acuerdo sobre sus estados. Hay dos problemas principales que se estudian en el consenso, el consenso líder-seguidor y el consenso sin líder. En el problema de consenso líder-seguidor, existe un líder que especifica el estado de todo el grupo, mientras que en un problema de consenso sin líder, no hay ningún estado de referencia definido a priori. El objetivo principal de esta tesis es el diseño de controladores en el espacio operacional que resuelvan los problemas de consenso líder-seguidor y sin líder en redes compuestas de múltiples robots heterogéneos. Además, este documento propone novedosos esquemas de control en el espacio operacional para sistemas de teleoperación bilateral. En ambos escenarios, se estudian diferentes condiciones, tales como la ausencia de medidas de velocidad de los robots, retardos constantes y variables en la interconexión de los robots y la incertidumbre en los parámetros físicos de los robots. La mayoría de los anteriores algoritmos de control que resuelven el consenso, sólo trabajan con la posición o la orientación, pero no con ambos. Por el contrario, esta tesis doctoral se ocupa de toda la pose de los robots que contiene tanto la posición y la orientación. Por otra parte, a fin de usar una representación de la orientación libre de singularidades, se emplean los cuaterniones unitarios. Esta tesis doctoral proporciona un análisis riguroso de la estabilidad de los algoritmos de control y presenta simulaciones y experimentos que validan la eficacia de los controladores propuestos

A pesar de las ventajas que ofrecen los sistemas de refrigeración por absorción, su utilización está muy por debajo de su potencial técnico y económico. El fluido de trabajo convencional H2O/LiBr presenta serios problemas de corrosión y descomposición térmica a temperaturas mayores de 150ºC. Por este motivo, se propone el desarrollo de absorbentes que no sean corrosivos, sean estables térmicamente y permitan aprovechar al máximo el nivel de temperatura de fuentes de calor de alta temperatura. El objetivo de este trabajo es estudiar la solución acuosa de: LiNO3+KNO3+NaNO3 con composición másica porcentual de sales 53, 28 y 19 respectivamente, llamada “Alkitratos”, como fluido de trabajo en enfriadoras de absorción, que utilicen H2O como refrigerante, en configuraciones de triple-efecto capaces de operar a temperaturas de hasta 260ºC. En una primera etapa, se ha realizado la determinación experimental, estimación y modelización de las propiedades termofísicas de varias soluciones acuosas de nitratos y nitritos alcalinos con el fin de crear una base de datos de las propiedades termofísicas. Posteriormente, se ha realizado la simulación de la configuración del ciclo denominada “Ciclo con etapa de alta temperatura con Alkitratos” usando el programa de simulación ABSIM (Advanced Modular Simulation of Absorption Systems). Este ciclo muestra una eficiencia ligeramente superior en comparación con el ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr a temperaturas del generador mayores de 180ºC, sin los problemas de inestabilidad térmica y corrosión que se presentan en el ciclo con H2O/LiBr por encima de 150ºC. Posteriormente, se ha diseñado y construido un dispositivo experimental para el estudio del proceso de absorción de los Alkitratos en un absorbedor de película descendente sobre tubos horizontales en las condiciones de operación de un ciclo de refrigeración por absorción con accionamiento a alta temperatura. Se ha llevado a cabo un estudio de sensibilidad de las variables de operación y se han evaluado una serie de parámetros de eficiencia del absorbedor. A las condiciones de operación establecidas en las pruebas experimentales, los valores obtenidos del flujo de vapor absorbido se encuentran en el rango de 2.83-6.55 g.m-2.s-1, el coeficiente de transferencia de calor de la película descendente varía entre 631.9 y 1715.8 W.m-2.ºC-1, mientras que el coeficiente de transferencia de masa se encuentra en el rango de (2.1-6.0)x10-5 m.s-1. A partir de la base de datos experimentales obtenida se ha desarrollado un modelo de redes neuronales artificiales (RNA) para la determinación de los parámetros de eficiencia del absorbedor. Los resultados mostraron un buen ajuste entre los datos experimentales y calculados, lo cual indica que el modelo RNA es efectivo para determinar los parámetros de eficiencia del absorbedor. Por último, se ha desarrollado un modelo físico del absorbedor de tubos horizontales de película descendente que utiliza los Alkitratos como fluido de trabajo, que acopla los procesos de transferencia de calor y de masa, y además integra tres regímenes de flujo (formación de gota, caída de gota y película descendente) y predice el desempeño del absorbedor en diferentes condiciones de operación. / Despite its huge potential for energy savings and low environmental impact, the use of absorption refrigeration systems is well below its technical and economic potential. The conventional working fluid H2O/LiBr has serious problems regarding corrosion and thermal decomposition at temperatures above 150°C. For this reason, we propose the development of absorbents suitable to triple-effect absorption refrigeration cycles. These absorbents should be non-corrosive, thermally stable, and allow taking advantage of the thermal potential of high temperature heat sources. The objective of this work is to study the solutions of alkaline nitrates, LiNO3+KNO3+NaNO3 with a percentage mass composition in salts of 53, 28 and 19%, respectively, called “Alkitrate”, as a new working fluid for absorption chillers using water as refrigerant in triple-effect configurations that can operate up to temperatures of about 260°C. In a first stage, experimental measurement, estimation and modelling of the thermophysical properties of aqueous alkaline nitrate and nitrite solutions were carried out in order to create an experimental database of thermophysical properties. Subsequently, the absorption cycle configuration called "Alkitrate topping cycle" was simulated using the ABSIM (Advanced Modular Simulation of Absorption Systems) program. The Alkitrate topping cycle showed a slightly higher efficiency as compared to the LiBr/H2O triple-effect cycle at generator temperatures above 180ºC, without the problems related to thermal stability and corrosion of H2O/LiBr at temperatures higher than 150ºC. Subsequently, an experimental set-up was designed and built-up to study the absorption process with Alkitrate as working pair in a horizontal falling film absorber at operating conditions of interest for absorption refrigeration cycles driven by high temperature heat sources. Then, a sensitivity study was conducted and the trends of absorber efficiency parameters were evaluated. At the operating conditions used in the experiments, the values achieved for the absorption mass flux were in the range 2.83-6.55 g.m- 2.s-1, the solution-side heat transfer coefficient ranged from 631.9 to 1715.8 W.m-2.ºC-1, while the mass transfer coefficient was in the range (2.1-6.0)x10-5 m.s-1. Based on the experimental data base achieved from the experimental set-up, a model that uses artificial neural networks (ANN) for predicting the absorber efficiency parameters in a horizontal falling film absorber was developed. The results showed a good agreement between experimental and calculated data, indicating that the use of ANN is an effective technique for predicting the absorber efficiency parameters. Finally, a physical model of a horizontal tubes falling film absorber with Alkitrate, involving coupled heat and mass transfer processes was developed. The mathematical model integrates three solution flow regimes (drop formation, droplet fall, and falling film) and predicts the absorber performance at different operating conditions.

L'estudi del comportament i la verificació resistent de construccions de maçoneria, entenent per maçoneria qualsevol fàbrica de maó, de tovot, de pedra de paredar o de carreus, presenta diverses particularitats. En general, es tracta de construccions existents amb la qual cosa és necessari un reconeixement de l'estructura in situ i, d'altra banda, són construccions realitzades amb materials, elements estructurals i tècniques constructives diferents a les emprades actualment. És conegut que la baixa o gairebé nul·la resistència a tracció de la maçoneria determina els tipus estructurals més adients a les seves característiques mecàniques: les parets de càrrega, els pilars i els arcs, és a dir, les geometries susceptibles de resistir les accions sotmetent els materials a estats bàsicament de compressió.S'ha desenvolupat un model específic per a l'anàlisi resistent de construccions de maçoneria que té en compte els efectes del comportament no lineal del material i considera l'equilibri en la configuració deformada de l'estructura. Per això, s'ha adoptat la Formulació Matricial Generalitzada (FMG) per a l'anàlisi estàtica i dinàmica d'estructures formades per entramats espacials d'elements de directriu corba i secció variable. Aquesta formulació es fonamenta directament en l'equilibri entre càrregues exteriors i esforços interns seccionals i, per construcció, és exacta. En l'extensió de la FMG a l'anàlisi dinàmica destaca la construcció d'una matriu de massa elemental que, d'una banda, no requereix cap hipòtesi complementària sobre el camp de moviments i, d'altra banda, permet considerar de forma exacta la distribució de rigidesa i massa interior dels elements partint de la prèvia definició d'una matriu de massa seccional.La implementació de l'anàlisi no lineal per al material, que inclou aspectes del comportament com ara la fissuració a tracció i la plastificació i l'aixafament a compressió, té la particularitat d'emprar dos esquemes iteratius: un a nivell elemental que permet verificar de forma exacta les condicions d'equilibri, compatibilitat i equació constitutiva en qualsevol punt interior de l'element i, en conseqüència, calcular exactament les forces resistides per a cada element coneguts els seus moviments nodals; i un altre a nivell estructura. En referència a l'anàlisi no lineal geomètrica, es presenta la formulació completa d'una matriu geomètrica de tensions inicials que, de la mateixa forma que la matriu de massa elemental, resulta coherent amb les hipòtesis de la FMG.El model desenvolupat, una vegada implementat en programa d'ordinador, ha permès analitzar diversos exemples mitjançant els quals ha sigut possible comprovar l'exactitud del mateix, així com la seva eficiència numèrica i la capacitat de tractar satisfactòriament estructures complexes per la seva geometria o per la seva multiplicitat d'elements. En particular, s'ha reproduït la resposta estàtica fins a ruptura i dinàmica d'estructures tals com edificis i ponts d'obra de fàbrica, o bé d'elements estructurals individuals. En tots els casos en què es disposava d'informació prèvia experimental, numèrica o analítica, s'ha trobat una bona coincidència de resultats. / El estudio del comportamiento y la verificación resistente de construcciones de obra de fábrica, entendiendo por obra de fábrica cualquier fábrica de ladrillo, de adobe, de mampostería ordinaria o de sillería, presenta diversas particularidades. En general, se trata de construcciones existentes con lo cual es necesario un reconocimiento de la estructura in situ y, por otra parte, son construcciones realizadas con materiales, elementos estructurales y técnicas constructivas diferentes a las empleadas actualmente. Es conocido que la baja o casi nula resistencia a tracción de la obra de fábrica determina los tipos estructurales más adecuados a sus características mecánicas: las paredes de carga, los pilares y los arcos, es decir, las geometrías susceptibles de resistir las acciones sometiendo los materiales a estados básicamente de compresión.Se ha desarrollado un modelo específico para el análisis resistente de construcciones de obra de fábrica que tiene en cuenta los efectos del comportamiento no lineal del material y considera el equilibrio en la configuración deformada de la estructura. Para ello, se ha adoptado la Formulación Matricial Generalizada (FMG) para el análisis estático y dinámico de estructuras formadas por entramados espaciales de elementos de directriz curva y sección variable. Esta formulación se fundamenta directamente en el equilibrio entre cargas exteriores y esfuerzos internos seccionales y, por construcción, es exacta. En la extensión de la FMG al análisis dinámico destaca la construcción de una matriz de masa elemental que, por una parte, no requiere ninguna hipótesis complementaria sobre el campo de movimientos y, por otra parte, permite considerar de forma exacta la distribución de rigidez y masa interior de los elementos partiendo de la previa definición de una matriz de masa seccional.La implementación del análisis no lineal por el material, que incluye aspectos del comportamiento como son la fisuración a tracción y la plastificación y aplastamiento a compresión, tiene la particularidad de emplear dos esquemas iterativos: uno a nivel elemental que permite verificar de forma exacta las condiciones de equilibrio, compatibilidad y ecuación constitutiva en cualquier punto interior del elemento y, en consecuencia, calcular exactamente las fuerzas resistidas por cada elemento conocidos sus movimientos nodales; y otro a nivel estructura. En referencia al análisis no lineal geométrico, se presenta la formulación completa de una matriz geométrica de tensiones iniciales que, de la misma forma que la matriz de masa elemental, resulta coherente con las hipótesis de la FMG.El modelo desarrollado, una vez implementado en programa de ordenador, ha permitido analizar diversos ejemplos mediante los cuales ha sido posible comprobar la exactitud del mismo, así como su eficiencia numérica y la capacidad de tratar satisfactoriamente estructuras complejas por su geometría o por su multiplicidad de elementos. En particular, se ha reproducido la respuesta estática hasta a rotura y dinámica de estructuras tales como edificios y puentes de obra de fábrica, o bien de elementos estructurales individuales. En todos los casos en que se disponía de información previa experimental, numérica o analítica, se ha encontrado una buena coincidencia de resultados. / The study of the behaviour and strength of masonry constructions, made of brickwork, adobe or ashlar, presents some particular features. Because these constructions were built usually in the past it is necessary to carry out in situ inspection. On the other hand, these constructions are built of materials, structural elements and construction techniques quite different from present ones. It is well known that the low tensile strength of masonry determines the most appropriate structural elements regarding its mechanical characteristics such as bearing walls, columns and arches, in other words, geometries to make it possible for masonry to work under compression. A specific model is developed for the strength analysis of masonry constructions that takes into account the effects of nonlinear behaviour of the material and imposes the equilibrium in the deformed geometry of the structure. For this purpose, a Generalized Matrix Formulation (GMF) is adopted for the static and dynamic analysis of 3D frame structures with curved elements having variable cross-sections. The most remarkable feature of GMF consists in the establishment of equilibrium in an "exact" way at any point within an element, so that no additional hypotheses are needed upon the displacement field. The extension of the GMF to dynamic analysis starts from the definition of an elemental mass matrix which, on one hand, does not require any additional hypothesis upon the displacement field, and, on the other hand, allows for an exact consideration of the distribution of both mass and stiffness throughout each element.The numerical implementation of the nonlinear material analysis, which includes such features as cracking in tension and yielding and crushing in compression, has the peculiarity of including two iterative schemes. One, at the element level, that allows exact verification of the equilibrium, compatibility and constitutive relations through every point into the element, and, as a consequence, allows accurate calculation of the response stresses of the element from known nodal displacements. The other one is at structural level. In relation to geometric nonlinear analysis, the comprehensive formulation of an initial-stress matrix is presented that, like the elemental mass matrix, is consistent with the hypotheses of GMF.The developed model, once implemented in a computer program, allowed the analysis of different examples that made it possible to verify, as well as its numerically efficient treatment of structures that are complex because of their geometry or multiplicity of elements. Particularly, the whole static response until failure and dynamic response of structures such as masonry buildings and bridges, as well as simple structural elements, are satisfactory compared with those attained by other authors using alternative formulations and experiments.

La idea básica de detección de defectos basada en vibraciones en Monitorización de la Salud Estructural (SHM), es que el defecto altera las propiedades de rigidez, masa o disipación de energía de un sistema, el cual, altera la respuesta dinámica del mismo. Dentro del contexto de reconocimiento de patrones, esta tesis presenta una metodología híbrida de razonamiento para evaluar los defectos en las estructuras, combinando el uso de un modelo de la estructura y/o experimentos previos con el esquema de razonamiento basado en el conocimiento para evaluar si el defecto está presente, su gravedad y su localización. La metodología involucra algunos elementos relacionados con análisis de vibraciones, matemáticas (wavelets, control de procesos estadístico), análisis y procesamiento de señales y/o patrones (razonamiento basado en casos, redes auto-organizativas), estructuras inteligentes y detección de defectos. Las técnicas son validadas numérica y experimentalmente considerando corrosión, pérdida de masa, acumulación de masa e impactos. Las estructuras usadas durante este trabajo son: una estructura tipo cercha voladiza, una viga de aluminio, dos secciones de tubería y una parte del ala de un avión comercial. / The basic premise of vibration-based damage detection in Structural Health Monitoring is that the damage will alter the stiffness, mass or energy dissipation properties of a system, which, in turn, will alter the measured dynamic response of the system. Within the context of pattern recognition, this thesis presents a hybrid reasoning methodology for damage assessment of structures, combining the use of a model of the structure and/or previous experiments with a knowledge-based reasoning scheme to evaluate if damage is present, its severity and its location. The methodology involves some elements related to vibration analysis, mathematics (wavelets, statistical process control), signal/pattern analysis/processing (knowledge-based reasoning, self organizing maps), smart structures and damage detection. Approaches are numerically and experimentally validated considering corrosion, mass reduction, adding masses, and impact loads. Structures used along all this work are: a cantilever truss, an aluminium beam, two pipe sections and a portion of a wing aircraft.