Due to the increasing interest in space exploration, management of two-phase flows in the absence of gravity has become a key aspect in improving the efficiency of technological applications for space missions. Understanding of two-phase flows is essential in the development of future applications and for the improvement of existing ones, not only in microgravity, but also in hypergravity conditions. In this thesis, the effects of external factors such as high and low frequency vibrations, or rotations on two-phase flows are addressed, when these systems are at different gravity levels. A series of experimental setups were developed in order to explore a wide range of phenomena occurring at different gravity levels. The effects of pressure fields on micron-sized particles in the levitation plane of an acoustic field are discussed. Furthermore, an analysis of the motions of two isolated particles is provided and a method to determine the forces between them is presented. The method allows us to experimentally obtain the order of magnitude of the forces, as well as indirectly provide a measurement of the acoustic pressure inside a micro-channel. Two microgravity experiments adapted to a sub-orbital vehicle were designed and built in order to examine the effects of low frequency vibrations and rotation in two-phase flows. This thesis will further analyse the effects observed in bubbles in different liquids. Bubble shape oscillations have been observed at low vibration frequencies, even though bubble dynamics are affected by the walls of the cell. After vibrations were turned off, the aspect ratio of a bubble in high viscosity fluid decays exponentially. Bubble break-up has been observed in the case of lower surface tension and lower viscosity. Focusing on the distribution of the air bubbles during high and low rotation rates, an analysis is presented on the effects on a low surface tension fluid. An investigation is presented on the injection trajectory of bubbles during rotation showing a reasonable agreement with analytical predictions. The detachment and rise of bubbles and bubble trains while an acoustic field is applied in hypergravity conditions are also addressed. Different effects have been observed in this experiment. Focusing on detachment, we provide an expression for estimating the detachment diameter when an acoustic field is applied. In addition, the effect of bubble trains on terminal velocity is discussed. A numerical analysis is also presented and compared to the experimental data. / Degut a l'increment en l'interès per l'exploració espacial, la gestió de fluids bifàsics en absència de gravetat ha esdevingut un tema clau per la millora de l'eficiència d'aplicacions tecnològiques per a missions espacials. Arribar a entendre els fluids bifàsics és important per al desenvolupament de futures aplicacions i per la millora de les ja existents, no només en condicions de microgravetat sinó també en condicions d'hipergravetat. En aquesta tesi es tracten els efectes que tenen factors externs com vibracions d'alta i baixa freqüència o rotacions, sobre fluids bifàsics, quan aquests es troben en diferents nivells de gravetat. S'han desenvolupat una sèrie de muntatges experimentals per a explorar els diferents fenòmens que succeeixen a diferents nivells de gravetat. S'analitzen els efectes que tenen els camps de pressió sobre partícules micromètriques en el pla de levitació d'un camp acústic. A més, s'analitza el moviment de dues partícules aïllades i es presenta un mètode per a determinar les forces entre elles. Aquest mètode permet obtenir experimentalment l'ordre de magnitud de les forces, així com obtenir indirectament la mesura de la pressió del camp acústic dins del micro canal. S'han dissenyat i muntat dos experiments de microgravetat adaptats a un vehicle suborbital, per estudiar els efectes de vibracions de baixa freqüència i rotació sobre fluid bifàsics. Es presenta una anàlisi dels efectes observats sobre les bombolles. S'han observat oscil·lacions de forma de les bombolles amb vibracions de baixa freqüència, tot i que la dinàmica es veu afectada per les parets de la cavitat. Després d'aturar la relació d'aspecte d'un fluid d'alta viscositat decreix exponencialment. També s'ha observat trencament de la bombolla, en el cas de baixa tensió superficial i baixa viscositat. Pel que fa a rotació, es fa un anàlisis dels efectes que té sobre un fluid de baixa tensió superficial, centrant-nos en la distribució de bombolles d'aire quan la velocitat de rotació és més alta o més baixa. S'estudia la trajectòria de les bombolles injectades durant la rotació, mostrant concordança amb prediccions analítiques. Per últim, abordem el desenganxament i l'ascens de bombolles i trens de bombolles, mentre apliquem un camp acústic en condicions d'hipergravetat. Durant els experiments s'han observat diferents efectes. Mirant el desenganxament, donem una expressió per estimar el diàmetre de la bombolla quan es desenganxa quan s'està aplicant un camp acústic. A més, es discuteixen els efectes sobre trens de bombolles. També es presenta una anàlisi numèric i es compara amb les dades obtingudes experimentalment.

Geometrical physics is a relatively young branch of applied mathematics that was initiated by the 60's and the 70's when A. Lichnerowicz, W.M. Tulczyjew and J.M. Souriau, among many others, began to study various topics in physics using methods of differential geometry. This "geometrization" provides a way to analyze the features of the physical systems from a global viewpoint, thus obtaining qualitative properties that help us in the integration of the equations that describe them. Since then, there has been a strong development in the intrinsic treatment of a variety of topics in theoretical physics, applied mathematics and control theory using methods of differential geometry. Most of the work done in geometrical physics since its first days has been devoted to study first-order theories, that is, those theories whose physical information depends on (at most) first-order derivatives of the generalized coordinates of position (velocities). However, there are theories in physics in which the physical information depends explicitly on accelerations or higher-order derivatives of the generalized coordinates of position, and thus more sophisticated geometrical tools are needed to model them acurately. In this Ph.D. Thesis we pretend to give a geometrical description of some of these higher-order theories. In particular, we focus on dynamical systems and field theories whose dynamical information can be given in terms of a Lagrangian function, or a Hamiltonian that admits Lagrangian counterpart. More precisely, we will use the Lagrangian-Hamiltonian unified approach in order to develop a geometric framework for autonomous and non-autonomous higher-order dynamical system, and for second-order field theories. This geometric framework will be used to study several relevant physical examples and applications, such as the Hamilton-Jacobi theory for higher-order mechanical systems, relativistic spin particles and deformation problems in mechanics, and the Korteweg-de Vries equation and other systems in field theory. / La física geomètrica és una branca relativament jove de la matemàtica aplicada que es va iniciar als anys 60 i 70 qua A. Lichnerowicz, W.M. Tulczyjew and J.M. Souriau, entre molts altres, van començar a estudiar diversos problemes en física usant mètodes de geometria diferencial. Aquesta "geometrització" proporciona una manera d'analitzar les característiques dels sistemes físics des d'una perspectiva global, obtenint així propietats qualitatives que faciliten la integració de les equacions que els descriuen. D'ençà s'ha produït un fort desenvolupamewnt en el tractament intrínsic d'una gran varietat de problemes en física teòrica, matemàtica aplicada i teoria de control usant mètodes de geometria diferencial. Gran part del treball realitzat en la física geomètrica des dels seus primers dies s'ha dedicat a l'estudi de teories de primer ordre, és a dir, teories tals que la informació física depèn en, com a molt, derivades de primer ordre de les coordenades de posició generalitzades (velocitats). Tanmateix, hi ha teories en física en les que la informació física depèn de manera explícita en acceleracions o derivades d'ordre superior de les coordenades de posició generalitzades, requerint, per tant, d'eines geomètriques més sofisticades per a modelar-les de manera acurada. En aquesta Tesi Doctoral ens proposem donar una descripció geomètrica d'algunes d'aquestes teories. En particular, estudiarem sistemes dinàmics i teories de camps tals que la seva informació dinàmica ve donada en termes d'una funció lagrangiana, o d'un hamiltonià que prové d'un sitema lagrangià. Per a ser més precisos emprarem la formulació unificada Lagrangiana-Hamiltoniana per tal de desenvolupar marcs geomètrics per a sistemes dinàmics d'ordre superior autònoms i no autònoms, i per a teories de camps de segon ordre. Amb aquest marc geomètric estudiarem alguns exemples físics rellevants i algunes aplicacions, com la teoria de Hamilton-Jacobi per a sistemes mecànics d'ordre superior, partícules relativístiques amb spin i problemes de deformació en mecànica, i l'equació de Korteweg-de Vries i altres sistemes en teories de camps.

The data revolution experienced by social science has revealed complex patterns of interactions in human dynamics, such as the heterogeneity and burstiness of social contacts. The recently uncovered temporal dimension of social interactions calls for a renewed effort in analysis and modeling of empirical time-varying networks. This thesis contributes to pursue this program, through a twofold track: The modeling of dynamical social systems and the study of the impact of temporally evolving substrates on dynamical processes running on top of them. Firstly, we introduce some basic concepts and definition of time-varying networks formalism, and we present and analyze some empirical data of face-to-face interactions, discussing their main statistical properties, such as the bursty dynamics of social interactions. The main body of the exposition is then split into two parts. In the first part we focus on the modeling of social dynamics, with a twofold aim: reproduction of empirical data properties and analytic treatment of the models considered. We present and discuss the behavior of a simple model able to replicate the main statistical properties of empirical face-to-face interactions, at different levels of aggregation, such as individual, group and collective scales. The model considers individuals involved in a social gathering as performing a random walk in space, and it is based on the concept of social "attractiveness": socially attractive people (due to their status or role in the gathering) are more likely to make people stop around them, so they start to interact. We also devote attention to the analytic study of the activitydriven model, a model aimed to capture the relation between the dynamics of time-varying networks and the topological properties of their corresponding aggregated social networks. Through a mapping to the hidden variable model, we obtained analytic expressions for both topological properties of the time-integrated networks and connectivity properties of the evolving network, as a function of the integration time and the form of the activity potential. In the second part of the thesis we study the behavior of diffusive processes taking place on temporal networks, constituted by empirical face-to-face interactions data.We first consider random walks, and thanks to different randomization strategies we introduced, we are able to single out the crucial role of temporal correlations in slowing down the random walk exploration. Then we address spreading dynamics, focusing on the case of a simple SI model taking place on temporal networks, complemented by the study of the impact of different immunization strategies on the infection outbreak. We tackle in particular the effect of the length of the temporal window used to gather information in order to design the immunization strategy, finding that a limited amount of information of the contact patterns is sufficient to identify the individuals to immunize so as to maximize the effect of the vaccination protocol. Our work opens interesting perspectives for further research, in particular regarding the possibility to extend the time-varying networks approach to multiplex systems, composed of several layers of interrelated networks, in which the same individuals interact between them on different layers. Empirical analysis of multiplex networks is still in its infancy, indeed, while the data mining of large, social, multi-layered systems is mature to be exploited, calling for an effort in analysis and modeling. Our understanding of the impact of the temporal dimension of networked structures on the behavior of dynamical processes running on top of them can be applied to more complex multi-layered systems, with particular attention to the effect of temporal correlation between the layers in the diffusion dynamics. / La revolució de dades en ciències socials ha revelat els complexos patrons de les interaccions en la dinàmica humana, com ara l'heterogeneïtat i la burstiness dels contactes socials. La dimensió temporal recentment descoberta en les interaccions socials demana un esforç renovat en l'anàlisi i la modelització de xarxes empíriques de variables en el temps. Aquesta tesi contribueix a aquest programa, a través d'un doble recorregut: la modelització dels sistemes socials dinàmics i l'estudi de l'impacte de substrats temporalment variables en els processos dinàmics que es desenvolupen sobre ells. En primer lloc, hem introduït els conceptes bàsics i definicions del formalisme de les xarxes de variables en el temps, i presentem i analitzem algunes dades empíriques de les interaccions humanes de proximitat, discutint les seves principals propietats estadístiques. El cos principal de l'exposició es divideix llavors en dues parts. A la primera part ens centrem en els models de dinàmica social, amb un doble objectiu: la reproducció de les propietats de dades empíriques i el tractament analític dels models considerats. Hem presentat i discutit el comportament d'un model simple capaç de replicar les principals propietats estadístiques de les interaccions empíriques cara a cara, a diferents nivells d'agregació: individuals, grupals i d'escala col·lectiva. El model considera els individus que participen en un context social com si realitzaran una caminada a l'atzar en l'espai, i es basa en el concepte de "atractivitat social": persones socialment atractives tenen més probabilitat de que la gent que els envolta interactuï amb ells. Ens hem ocupat també de l'estudi analític del model "activity driven", destinat a capturar la relació entre la dinàmica de les xarxes variables en el temps i les propietats de les seves corresponents xarxes socials agregats. A través d'un mapeig amb el formalisme de variables ocultes, hem obtingut expressions analítiques per a les propietats topològiques de les xarxes integrades en el temps i les propietats de connectivitat de la xarxa en evolució, en funció del temps d'integració i de la forma del potencial d'activitat. A la segona part de la tesi hem estudiat el comportament dels processos difusius sobre xarxes temporals constituïdes per les dades empíriques de interaccions humanes. Primer considerem el procés de "random walk", o camí aleatori, i gràcies a les diferents estratègies de randomització que hem introduït, podem destacar el paper crucial de la correlacions temporals en alentir l'exploració del camí aleatori. Després hem dirigit la nostra atenció a la difusió d'epidèmies, centrant-nos en el cas d'un simple model SI que es desenvolupa a les xarxes temporals, complementat amb l'estudi de l'impacte de diferents estratègies d'immunització sobre la difusió de la infecció. Abordem, en particular, l'efecte de la longitud de la finestra temporal utilitzada per reunir informació per tal de dissenyar l'estratègia d'immunització, sobre l'eficàcia de la mateixa vacunació, descobrint que una quantitat limitada d'informació és suficient per maximitzar l'efecte del protocol de vacunació. El nostre treball obre interessants perspectives per a futures investigacions, en particular pel que fa a la possibilitat d'ampliar el formalisme de xarxes de temps variable a sistemes múltiplex, compostos de diverses capes de xarxes interrelacionades, en la qual els mateixos individus interactuen entre ells en diferents capes. L'anàlisi empírica de les xarxes múltiplex és encara en la seva infantesa, de fet, mentre que la mineria de dades de grans sistemes socials, de diverses capes, és madur per ser explotat, demanant un esforç en l'anàlisi i modelització. La nostra comprensió de l'impacte de la dimensió temporal de les xarxes sobre els processos dinàmics que es desenvolupen sobre ells es pot aplicar a sistemes més complexos de múltiples capes, estudiant l'efecte de la correlació temporal entre les capes en la dinàmica de difusió.

Biological membranes are continuously brought out of equilibrium, as they shape organelles, package and transport cargo, or respond to external actions. The dynamics of lipid membranes are very complex due to the tight interplay between the bilayer architecture, the shape dynamics, the rearrangement of the lipid molecules, and their interactions with adjacent structures. The main goal of the present work is to understand the dynamical shape deformations and reorganizations of lipid bilayers, including lipid hydrodynamics, and the mechanical shaping and stabilization of highly curved membrane structures. Towards this goal, we develop theory, simulation methods, and perform experiments. We formulate and numerically implement a continuum model of the shape dynamics and lipid hydrodynamics, which describes the bilayer by its mid-surface and by a lipid density field for each monolayer. In this model, the viscoelastic response of bilayers is determined by the stretching and curvature elasticity, and by the intermonolayer friction and the membrane interfacial shear viscosity. In contrast with previous studies, our numerical approach incorporates the main physics, is fully nonlinear, does not assume predefined shapes, and can access a wide range of time and length scales. We apply our model to describe the dynamics of biologically relevant experimental observations, which are insufficiently understood through simpler models introducing geometrical and physical simplifications. We study the dynamical formation of membrane tubes, followed by pearling instabilities, as a consequence of a localized density asymmetry, the tubular lipid transport between cells, the dynamics of bud absorption, and the very recently observed protrusions out of planar confined bilayers. The passive formation of stable highly curved protrusions in confined bilayers suggests that mechanics plays a role in the morphogenesis and homeostasis of complex organelles (e.g., endoplasmic reticulum, or mitochondrial cristae), in addition to the widely accepted role of proteins and the regulation of lipid composition. We also study experimentally and theoretically the shape transformations and membrane reorganizations of model membranes upon the adsorption of cholesterol, a ubiquitous constituent of biomembranes, which regulates their structural and mechanical properties. Our observations offer new insights into the reorganizations of macrophages and the formation of foam cells as a consequence of the cholesterol elevation in vessel walls. In this thesis, we have payed particular attention to the membrane fluidity and the influence of the membrane viscosity in the bilayer dynamics. The role of the membrane interfacial viscosity is often ignored due to its minor role in the linearized equations about planar states. We challenge this assumption, show theoretically that membrane viscosity plays an important role in the presence of high curvature, and show its effect on the membrane fluctuations of quasi-spherical vesicles and tubular membranes.

This thesis focuses on the development of an analytical model for the generation and propagation parts of a global model of ground induced vibrations to be used in preliminary assessment studies for the case of at-grade railway infrastructures. The model is designed prioritising its speed, simplicity and usability ahead its accuracy modelling the real railway system. This model takes into account the subgrade as a viscoelastic and homogeneous half-space, the superstructure as a 2-layer supporting model and the vehicle as 1DOF system. With the aim of simplify the model, the superstructure/subgrade interaction is studied in terms of the wheel/rail contact dynamics, bounding in what cases this interaction can be neglected. The adaptation of this model when a far eld semi-analytical model is desired to be used as the propagation model is fully developed, by means of the dimensioning of the near eld and far eld regions.

La tesis analiza el comportamiento anómalo de una servoválvula instalada en una máquina de electroerosión operando bajo ciertas condiciones de trabajo. En el primer capítulo de la tesis se describen una serie de experimentos llevados a cabo para: en primer lugar, llegar a obtener bajo que condiciones de funcionamiento se producen las inestabilices (vibraciones audibles) y en que parte de la máquina se originan. Como resultado de estas primeras investigaciones se obtiene que el sistema de transmisión de energía oleohidráulica es el generador de las perturbaciones. Una segunda fase de experimentos descritos asimismo en el primer capítulo, llevan a poder afirmar que las perturbaciones se originan en la servoválvula.El siguiente paso consistió en profundizar sobre las prestaciones de la servoválvula, analizando inicialmente los elementos de que consta y sus características teóricas y experimentales. Paralelamente se llevo a cabo un estudio crítico de la bibliografía sobre el tema, en particular sobre posibles anomalías de funcionamiento en servoválvulas. Algunos investigadores insinuaron que las fuerzas de flujo sobre las toberas eran una fuente de inestabilidades. Nuestras investigaciones confirman esta hipótesis y ponen a la luz la importancia del modelo de flujo tobera/paleta en este sentido. Se comprueba que los coeficientes de descarga y la distancia tobera paleta son definitorios en el modelo de flujo.En el tercer capítulo se estudian en profundidad los diversos modelos de flujo, se hace hincapié que en la servoválvula bajo estudio hay dos tipos de flujo: el denominado tobera paleta y el denominado paleta tobera. Se observa experimentalmente diferencias importantes entre los coeficientes de descarga para cada uno de estos dos tipos de flujo. En este mismo capítulo se realiza una modelización bidimensional por volúmenes finitos de la evolución del fluido dentro de una servoválvula, en donde se pueden diferenciar los diversos modelos de flujo en función de la distancia tobera paleta y la diferencia de presión entre la entrada y salida. Al final de este capítulo se comparan los resultados experimentales con los hallados vía modelización, observando un buen comportamiento del modelo. El capitulo cuarto se centra en la obtención de un modelo que simule el comportamiento de la servoválvula. La modelización se realiza utilizando el método de diagramas de enlaces "Bond Graph".Como innovación en este apartado cabe destacar la modelización de las fuerzas de flujo y la variabilidad de los coeficientes de descarga en función del número de Reynolds. Como complemento a la modelización y en lo que a las fuerzas de flujo hace referencia, se realiza un estudio comparativo de los dos modelos de servoválvula de cuatro toberas existentes: el Williams y el Moog 92, comprobando que el modelo actual, el Moog 92 es mas tolerante a las inestabilidades.De los resultados de la modelización se puede estimar con gran precisión el comportamiento en régimen permanente y en régimen transitorio de la servoválvula. Se demostró asimismo que la frecuencia propia fundamental de la servoválvula estaba alrededor de los 580 Hz. Esta frecuencia se corresponde con la obtenida en forma de espectro audible en los experimentos iniciales.En el capítulo cinco se analiza con detalle el origen de la perturbación audible de alrededor de 2200 Hz. Después de una serie de experimentos y de analizar los resultados que otros investigadores obtuvieron en sistemas análogos, se llega a la conclusión de que la perturbación de alrededor de 2200 Hz es de origen fluidodinámico, y capaz de excitar uno de los modos de vibración de la armadura. Esta inestabilidad se ve reforzada por un fenómeno de resonancia que es consecuencia de la morfología de la tobera / paleta.Como innovaciones de esta tesis cabe citar:1.- El estudio del flujo entrante paleta/tobera. En este sentido se han definido los modelos de flujo que tienen lugar y los parámetros que los definen: coeficientes de descarga en función de la distancia tobera paleta. Se ha observado que el origen de todas la inestabilidades se localizan cuando el flujo va de paleta a tobera, (flujo entrante). Estos modelos de flujo fueron modelizados mediante volúmenes finitos siendo los resultados obtenidos satisfactorios.2.- La modelización del comportamiento en régimen permanente y régimen transitorio de la servoválvula mediante técnicas de diagramas de enlaces (Bond Graph).3.- La metodología experimental seguida para poner en evidencia que fenómenos son el origen de las perturbaciones audibles, y que factores deben considerarse para minimizar sus efectos. / The PhD focuses on the analysis of the erratic behaviour of the oil hydraulic system installed in a sparkling machine and when operating under some particular conditions.The first chapter describes a set of experiments to find out under which conditions and were the instabilities (audible vibrations) are created. As a result, it is demonstrated that the servovalve is the origin of the instabilities. Some researchers pointed out that flow forces acting onto the servovalve flappers could originate vibrations. It is then decided to measure the discharge coefficients for flow going from nozzle to flapper and from flapper to nozzle, being the aim to better understand the flow models inside the four nozzle two flapper servovalve under study.The discharge coefficients demonstrate that two completely different models of flow appear inside the servovalve. To better understand such flow models a CFD computer modelisation of the nozzle-flapper and flapper-nozzle flows was undertaken, finding out that flow in direction flapper nozzle is prone to be instable. Good agreement was found when comparing discharge coefficients found experimentally and via CFD modelisation. The fourth chapter is dedicated to simulate the complete servovalve behaviour, the simulation is performed using the Bond Graph technique. It is interesting to point out that when the armature of the servovalve was excited with a frequency near the servovalve natural frequency the model gave an over excitation of the servovalve, as it occurs in reality. Such frequency was one of the perturbation peaks measured at the beginning of the study. On the last chapter is analysed experimentally the origin of a second perturbation peak with a frequency of 2200 Hz. Finding out that such instability has a fluid dynamic origin and is created by the flow going from flapper to nozzle. Such perturbation is amplified by the nozzle chamber and it is able to excite some vibration modes of the servovalve armature. The way to overcome such problem would be via preventing the amplification from being created. This main mean whether avoid flow from flapper to nozzle or modifying the nozzle chamber in the nozzles having flapper nozzle flow.

Degut a la tendència a l'increment del preu de la energia, i el seu ús cada cop més estès per aire condicionat en els paisos desenvolupats, els sistemes de refrigeració basats en energia solar tenen cada cop més atractiu. El objectiu final d'aquesta tesi és el desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny de màquines de refrigeració per absorció que tinguin la possibilitat de funcionar amb energia solar. Malgrat existeixen en el mercat màquines d'absorció d'aquestes característiques des de fa anys, hi ha una deficiència en el desenvolupament de sistemes de petita capacitat. Els sistemes de petita capacitat impliquen problemes addicionals en el seu disseny (sistemes refrigerats per aire, compacitat ...) que només es poden abordar fent ús d'eines de disseny adequades, tant pel sistema com pels seus components. Tanmateix, hi ha també certa deficiència en la literatura especialitzada en el desenvolupament de models matemàtics adequats per la descripció dels processos de transferència de calor i de massa en les màquines de refrigeració per absorció: àrea mullada en les superfícies d'intercanvi de calor i de massa, paper dels additius, etc. Per aquestes raons aquest treball ha estat enfocat en aquests objectius:- Estudi de processos bàsics de transferència de calor i de massa juntament amb els fenomens fluid-dinàmics implicats en absorbidors de màquines d'absorció. Aquest estudi ha estat fet mitjançant simulacions detallades resolent les equacions de Navier-Stokes sota ertes hipòtesis.- Desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny i predicció de sistemes de refrigeració per absorció, aprofitant la informació donada per models més detallats.- Desenvolupament d'eines de simulació numèrica pel disseny dels elements crítics d'intercanvi de calor i de massa de sistemes de refrigeració per absorció (absorbidor, generador, evaporador, condensador) mantenint el càlcul en un raonable temps de CPU. Aquest model recolza el mencionat en el punt anterior.- Desenvolupament de un prototipus de màquina d'absorció, refrigerada per aire, fent servir H2O-LiBr com a fluid de treball, amb les eines numèriques desenvolupades. - Contrastació experimental dels models desenvolupats.- Estudi del funcionament de la màquina d'absorció anteriorment mencionada. - Avaluació dels resultats per millorar els criteris de disseny i optimització del mateix de cara a prototipus de segona generació.Després del desenvolupament d'aquestes eines de simulació numèrica que s'han fet servir per problemes específics sortits en el procés d'estudi d'una màquina en concret, un marc de treball ha estat creat per l'estudi d'altres sistemes de refrigeració per absorció. / Due to the increasing trend of the price of the energy, mainly obtained from fossil combustibles, and its also increasing use for air-conditioning in developed countries, solar cooling has been becoming more attractive from the point of view of economics and environment conservation. The final aim of this thesis is the development of numerical simulation tools for the design of absorption machines with the possibility of being driven by solar energy. Although there are available in the market absorption chillers of such characteristics for years, there is a lack in development of small capacity systems. Small capacity systems imply additional problems of design (air-cooled systems, compactness ...) that only can be afford with adequate design tools for system and components. Moreover, there is also a lack in the specialised literature in the development of adequate mathematical models for the description of the heat and mass transfer processes in absorption machines: wetted area of the heat and mass transfer surfaces, role of additives, complex geometries etc.For these reasons this work has been focused on the following detailed objectives: - Study of basic heat and mass transfer processes together with the fluid-dynamic phenomena implied in absorbers of absorption chillers. This study has beencarried out by means of detailed simulations solving the Navier-Stokes equations under certain hypotheses. - Development of numerical simulation tools for design and prediction of absorption systems, taking advantage of information given by more detailed models. - Development of numerical simulation tools for design of the heat and mass exchange components of absorption systems keeping the calculation in a reasonable CPU time. This model provides of the necessary information for the model mentioned in the previous point.- Development of a prototype of an air cooled absorption machine based on the numerical results obtained from the models.- Validation of the models developed by means of comparison of numerical results and experimental data obtained from the prototypes developed.- Study of the performance of the above mentioned absorption system. - Evaluation of the results in order to improve the design criteria for a second generation of prototypes.After the development of these numerical simulation tools and their applicationin specific problems, a framework has been created for the study of other type of absorption systems.

The modelling of convective transport processes involving heat and mass transfer in an incompressible Newtonian fluid in cylindrical domains is a relevant research subject both for theoretical research and for industry. However, many of the available studies up to present are two-dimensional, and three-dimensional models using laterally heated cylindrical geometries are scarce. Although the two-dimensional approaches with lateral heating give some significant results, they cannot capture the fully three-dimensional nature of the velocity and temperature fields in three-dimensional geometries in bounded domains; besides, the wall effect in transport problems cannot be neglected. As an example, two-dimensional simulations predict solutions with multiple rolls for aspect ratio boxes greater than 2 that are not observed in three-dimensional studies, and fail to reproduce the nature of the first instability and the associated critical values. In this PhD thesis, we simulate numerically three problems in which the convective transport is produced either by temperature differences in the cylinder lids or by concentration differences within the fluid, as happens in the diffusion experiments in liquid metal mixtures or semiconductors. The system analyzed in the first two problems consists of a horizontal cylinder laterally heated; in the first case, the cylinder remains at rest, while in the second a rotation about its axis is included. Fluid behaviour under different heating intensities (Rayleigh number), materials (Prandtl number) and container size (shape parameter) is investigated. The effect of the rotation of the cylinder on the convective motion is discussed in detail. The values of the angular velocity have been kept low in order to analyze the transition from a fluid flow dominated by convection to a flow in which the fluid rotates as a solid-body with the walls. Much of the work is devoted to analyzing the basic solutions and their stability diagram, and to describing some of the secondary solutions. The aim of the third problem is to analyze the influence of convective pollution in the measurements of the diffusion coefficients when using the method of long capillary in low gravity. We will compare our numerical results with those of the experimental technique called shear cells implemented with a finite volume method and with the previously existing two-dimensional results. The influence on the diffusion coefficients measurements of other factors such as, the low gravity levels, the effects of the tilting and rotation of the capillary, the fluctuations of the gravitational field and the actual accelerometer signals g-jitter, will be also assessed. We numerically solve the Navier-Stokes equation in Boussinesq approximation for an incompressible viscous fluid, which is coupled to an equation for temperature or concentration in cylindrical coordinates. The equations are written in the laboratory reference frame, spatially discretized with a pseudospectral Chebyshev method for radial and axial dependence and with a Fourier-Galerkin method in the azimuthal direction and solved with a second order semi-implicit time splitting method. / La modelización de procesos de transporte convectivo, por transferencia de calor y masa, en un fluido newtoniano incompresible en dominios cilíndricos es un tema de investigación relevante para aplicaciones en la investigación teórica y en la industria. Sin embargo, los trabajos de investigación en modelos tridimensionales usando geometrías cilíndricas calentados lateralmente son más bien escasos. Aunque las aproximaciones bidimensionales del problema con calentamiento lateral dan resultados significativos, las geometrías tridimensionales en dominios acotados son más realistas porque los campos de velocidad y temperatura son totalmente tridimensionales y porque no se puede despreciar el efecto que tienen las paredes en este tipo de problemas de transporte. Por ejemplo en simulaciones en cajas bidimensionales se observa que pueden existir estados estacionarios con más de un rollo convectivo para valores del parámetro de forma mayores que 2 y, sin embargo, esto no se observa en los estudios en cajas rectangulares 3D o cilindros para iguales parámetros. También hay discrepancias en cuanto a la naturaleza de la inestabilidad primaria y a los valores críticos obtenidos para parámetros parecidos. En este trabajo de tesis simulamos tres problemas en los que el transporte convectivo se produce por diferencias de temperatura en las tapas del cilindro o por diferencias de concentración dentro del fluido, como ocurre en los experimentos de difusión en mezclas de metales líquidos o semiconductores. En los dos primeros problemas se simula un cilindro horizontal con una diferencia de temperatura entre sus tapas; en el segundo problema se incluye la rotación del cilindro alrededor de su eje. Se investiga el comportamiento del fluido en función de distintas intensidades en el calentamiento (número de Rayleigh), materiales (número de Prandtl) y tamaño del contenedor (parámetro de forma). Gran parte del trabajo estará dedicado a analizar las soluciones básicas y su estabilidad. En el segundo problema se analiza con detalle el efecto que tiene la rotación del cilindro sobre el movimiento convectivo en función de la velocidad angular, cuyos valores han sido mantenido bajos para poder observar la transición del tipo de flujo inicialmente dominado por la convección, al fluido rotando como un sólido rígido junto con la pared del cilindro. Para los dos problemas con calentamiento lateral caracterizamos las soluciones del estado básico y determinamos su diagrama de estabilidad. Describiremos algunas soluciones secundarias. El tercer problema estará centrado en analizar la influencia que tiene la contaminación convectiva en las medidas de los coeficientes de difusión con el método del ¿capilar largo¿ en baja gravedad. Se compararán estos resultados numéricos para el capilar largo con los resultados obtenidos con la técnica experimental shear cell simulada con el método de volúmenes finitos y con resultados 2D de la literatura. Se valorará la influencia de los bajos niveles de gravedad, así como el efecto de la inclinación y la rotación del capilar, las oscilaciones del campo gravitatorio y la influencia de señales acelerométricas reales conocidas como g-jitter en las medidas de los coeficientes de difusión de una mezcla. Empleamos las ecuaciones de Navier Stokes, en la aproximación de Boussinesq, para un fluido incompresible y viscoso acoplada a una ecuación para la temperatura o la concentración en coordenadas cilíndricas. Las ecuaciones se escribirán en el sistema de referencia de laboratorio. Estas ecuaciones serán discretizadas espacialmente mediante un método pseudoespectral de Chebyshev-colocación para la dependencia radial y axial y el método Galerkin-Fourier para la dependencia azimutal y resueltas con un algoritmo de segundo orden de paso de tiempo fraccionario semi-implícito.

L'objectiu d'aquesta tesi ha estat la caracterització de la resposta de les bandes en els números de manera d'alta. Tres experiments separats van ser executats per crear un conjunt de dades de resposta model per a matiners relació de massa realista baixes, i la determinació de les característiques deixant de bandes flexibles sotmesos a vibracions multimode. Es van utilitzar un conjunt de models verticals. Dues bandes llargues 3m van ser fabricats per a aquesta finalitat. Les bandes es classifiquen d'acord a la relació de massa, un model tenia una relació de massa de 2,7, i l'altre tenia relació de massa menor de 1,1. Els models van ser provats en un flux uniforme, amb una velocitat de fins a 2 m / s. Respostes tant en línia i de flux creuat es van mesurar utilitzant calibradors de tensió, i les dades es converteixen en desplaçaments. L'alta relació de pujada massiva indica oscil·lacions fins a quart manera. La resposta de baixa proporció de pujada massiva es va limitar a segon mode de flux creuat. Les contribucions modals es van determinar i es va observar la presència simultània de múltiples maneres en múltiples freqüències. Coeficients de resistència obtinguts van indicar similitud amb l'oscil·lació de flux transversal, amb valors d'arribar a 2,5 per al cilindre de relació de massa baixa. La resposta d'un tub vertical flexible en el deixant d'un cilindre rígid es va determinar utilitzant diferent distància de la cilindros. / El objetivo de esta tesis ha sido la caracterización de la respuesta de las bandas en los números de modo de alta. Tres experimentos separados fueron ejecutados para crear un conjunto de datos de respuesta modelo para madrugadores relación de masa realista bajas, y la determinación de las características estela de bandas flexibles sometidos a vibraciones multimodo. Se utilizaron un conjunto de modelos verticales. Dos bandas largas 3m fueron fabricados. Las bandas se clasifican de acuerdo a la relación de masa, un modelo tenía una relación de masa de 2,7, y el otro tenía relación de masa menor de 1,1. Los modelos fueron probados en un flujo uniforme, con una velocidad de hasta 2 m / s. Respuestas tanto en línea y de flujo cruzado se midieron usando calibradores de tensión, y los datos se convierten en desplazamientos. La alta relación de subida masiva indica oscilaciones hasta cuarto modo. La respuesta de baja proporción de subida masiva se limitó a segundo modo de flujo cruzado. Las contribuciones modales se determinaron y se observó la presencia simultánea de múltiples modos en múltiples frecuencias. Coeficientes de resistencia obtenidos indicaron similitud con la oscilación de flujo transversal, con valores de llegar a 2,5 para el cilindro de relación de masa baja. La respuesta de un tubo vertical flexible en la estela de un cilindro rígido se determinó usando diferente distancias. / The objective of this thesis was the characterization of the response of risers at high mode numbers. Three separate experiments were executed to create a set of model response data for realistically low mass ratio risers, and the determination of wake characteristics of flexible risers undergoing multi-mode vibrations. A set of riser models were used. Two 3m long risers were fabricated for this purpose. The risers were categorized according to the mass ratio, one model had a mass ratio of 2.7, and the other had lower mass ratio of 1.1. The models were tested in a uniform flow, with speeds up to 2m/s. Both in-line and cross-flow responses were measured using strain gages, and data was converted to displacements. The high mass ratio riser indicated oscillations up to 4th mode. The low mass ratio riser response was limited to 2nd mode in cross-flow. The modal contributions were determined and simultaneous presence of multiple modes at multiple frequencies were observed. Drag coefficients obtained indicated similarity with the cross-flow oscillation, with values reaching 2.5 for the low mass ratio cylinder. The response of a flexible riser in the wake of a rigid cylinder was determined using different separation distance from the leading cylinder. Significant similarities to those of an isolated flexible cylinder were observed, in form of response regimes at each structural mode of oscillation, with contribution from adjacent modes.

This thesis explores a very well understood area of physics: computational structural dynamics. The aim is to stretch its boundaries by merging it with another very well established discipline such as structural design and optimization. In the recent past both of them have made significant advances, often unaware one of each other for different reasons. It is the aim of this thesis to serve as a bridging tool between the realms of physics and engineering. The work in divided in three parts: variational mechanics, structural optimization and implementation. The initial part deals with deterministic variational mechanics. Two chapters are dedicated to probe the applicability of energy functionals in the structural analysis. First, by mapping the state of the art regarding the vast field of numerical methods for structural dynamics; second, by using those functionals as a tool to compare the methods. It is shown how, once the methods are grouped according to the kind of differential equations they integrate, it is easy to establish a framework for benchmarking. Moreover, if this comparison is made using balance of energy the only parameter needed to observe is a relatively easy to obtain scalar value. The second part, where structural optimization is treated, has also two chapters. In the first one the non-deterministic tools employed by structural designers are presented and examined. An important distinction between tools for optimization and tools for analysis is highlighted. In the following chapter, a framework for the objective characterization of structural systems is developed. This characterization is made on the basis of the thermodynamics and energetic characteristics of the system. Finally, it is successfully applied to drive a sample simulated annealing algorithm. In the third part the resulting code employed in the numerical experiments is shown and explained. This code was developed by means of a visual programming environment and allows for the fast implementation of programs within a consolidated CAD application. It was used to interconnect simultaneously with other applications to seamlessly share simulation data and process it. Those applications were, respectively, a spreadsheet and a general purpose finite element. / La presente tesis explora un area de la fisica ampliamente establecida: dinamica computacional de estructuras. El proposito es expandir los limites de la misma mediante la combinacion con otra disciplina como es el diseño y la optimizacion estructurales. Recientemente, ambas han experimentado avances significativos que, frecuentemente, han ocurrido de forma ajena una de la otra. Esta tesis busca servir de nexo entre el campo de la fisica y la ingenieria. El trabajo esta dividido en tres partes: mecanica variacional, optimizacion estructural e implementacion de una aplicacion de software para su uso en la practica real. La parte inicial trata la mecanica variacional desde el punto de vista determinista. Se dedican dos capitulos a demostrar la aplicabilidad de los funcionales energeticos en el analisis estructural. Primero, se hace un recorrido por el estado del arte de los metodos numericos para dinamica estructural; posteriormente, se emplean estos funcionales para comparar dichos metodos de forma objetiva y eficaz. Se demuestra como, una vez que los metodos han quedado agrupados de acuerdo al tipo de ecuaciones diferenciales que resuelven (ordinarias, parciales o algebraicas), es facil crear un marco de referencia para su evaluacion. Al hacerse la comparacion mediante equilibrio energetico el resultado es un valor escalar cuyo manejo es relativamente facil de interpretar. La segunda parte, donde se trata la optimizacion estructural, abarca tambien dos capitulos. En el primero se presentan y examinan las herramientas no deterministas utilizadas por los diseñadores estructurales y se pone de relevancia la importante distincion entre las herramientas de analisis y las de optimizacion. A continuacion, se desarrolla un marco para la caracterizacion objetiva de sistemas estructurales elaborado sobre la base de la mecanica estadistica y las caracteristicas energeticas de las estructuras. Finalmente, el marco se combina con un algoritmo de "Simulated Annealing" para la optimizacion de estructuras. En la tercera parte de la tesis el codigo resultante empleado en los experimentos numericos de los capitulos anteriores queda explicado. Este codigo, desarrollado mediante herramientas de programacion visual, permite la rapida implementacion de aplicaciones dentro de un entorno de CAD. para su posterior aplicacion a problemas reales.