This thesis is based on the implementation of a computational system to numerically simulate the interaction between a fluid and an arbitrary number of rigid bodies. This implementation was performed in a distributed memory parallelization context, which makes the process and its description especially challenging. As a consequence, for the sake of descriptive precision and conceptual clarity, a new formal framework using set theory concepts is developed. The fluid is discretized using a non body-conforming mesh and the boundaries of the bodies are embedded in this mesh. The force that the fluid exerts on a body is determined from the residual of the momentum equations. Conversely, the velocity of the body is imposed as a boundary condition in the fluid. In this context, two new approaches are proposed. To account for the fact that fluid nodes can become solid nodes and vice versa due to the rigid body movement, we have adopted the FMALE approach, which is based on the idea of a virtual movement of the fluid mesh at each time step. A new method of interpolation is adopted inside the FMALE implementation in order to improve the results. The physics of the fluid is described by the incompressible Navier-Stokes equations. These equations are stabilized using a variational multiscale finite element method and solved using a fractional step like scheme at the algebraic level. The incompressible Navier-Stokes solver is a parallel solver based on master-worker strategy. The bodies can have arbitrary shapes and their motions are determined by the Newton-Euler equations. The contacts between bodies are solved using impulses to avoid interpenetrations. The time of impact is determined implementing a dynamic collision detection algorithm. As far as the parallel implementation is concerned, the data of all the bodies are shared by all the subdomains. To track the boundary of the bodies in the fluid mesh, computational geometry tools have been used. / Esta tesis se basa en la implementación de un sistema computacional para simular numéricamente la interacción entre un fluido y un número arbitrario de sólidos rígidos. La implementación se llevó a cabo considerando un ambiente de programación paralelo con memoria distribuida, lo que convierte al proceso y a su descripción en un reto importante. Como consecuencia, para una descripción conceptual clara y precisa, un nuevo marco formal se desarrolló utilizando los conceptos de la teoría de conjuntos. El fluido se discretiza utilizando una malla no conforme donde las mallas de contorno de los sólidos rígidos están embebidas. La fuerza que el fluido ejerce sobre un sólido se determina en base al residuo de las ecuaciones de conservación del momento. En cambio, la velocidad del sólido se impone como una condición de contorno en el fluido. En este contexto, en el marco de los métodos de malla de contorno embebidos, se proponen dos nuevas aproximaciones. Para resolver el problema que se plantea cuando un número dado de nodos que pertenecían al fluido se convierten en nodos que pertenecen al sólido y viceversa debido al propio movimiento de los sólidos, hemos adoptado la aproximación conocida como FMALE, la cual se basa en la idea de un movimiento virtual de la malla que discretiza al fluido a cada paso de tiempo. Un nuevo método de interpolación se implementó dentro del método FMALE para mejorar los resultados obtenidos. La física del fluido se describe mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones se estabilizaron utilizando el método variacional multiescala de los elementos finitos y se resolvieron utilizando un esquema similar al de los de paso de tiempo fraccionado. En general, los sólidos pueden tener formas arbitrarias y sus movimientos se describen mediante las ecuaciones de Newton-Euler. Los contactos entre sólidos se resuelven usando impulsos para evitar interpenetraciones. El tiempo de contacto se determina implementando un algoritmo de detección de colisiones dinámico. En paralelo, los datos de todos los sólidos se comparten entre todos los subdominios. Sin embargo, para tratar los contornos de los sólidos dentro de la malla no conforme que discretiza el problema, varias herramientas computaciones han sido usadas para reducir el tiempo de ejecución

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.

The principie of this research answers to the interest to procure a value for silence. This argument was added to the expectation generated by the "Documento básico de Protección Frente al Ruido (DB-HR) del Código Técnico de la Edificación (CTE)," which incremented the profit demands in buildings and from here comes the next questions: How much do people agree to pay for an acoustically insulated dwelling? Does the willingness to pay overcome the increment in the cost of the building systems which come from the normativity previously mentioned? The work hypothesis states that the cost of the technique-constructive applications included in the CTE to improve the acoustic comfort of housing is lower than the benefits which individuals perceive and convey in their willingness to pay for acquiring a house with these characteristics . The aim is to utter that for the new residential market in Barcelona, the willingness to pay for occupy a house which gives a major acoustic comfort exceed the cost of the implementation of the most restrictive insulated systems . This thesis is structured in two parts : theoretic and empiric. The first one includes the acoustic concepts and microeconomics applied in the valuation environmental goods . The context contemplates the importance of silence , which does not have a value, or if it would have it, in place of a house with a major acoustic insulation; it cannot satisfy the demand in a while. In this situation the contingent valuation method is an instrument that beyond of its interpretation generaliy provides possible answers to the questions requested previously. As for the empiric one, it is estimated the possible over costs related to the ¡ncrement in the isolation and the amount of related profits given to this variation. The proposing intended to create a hypothetical market for people to expose their preferences . This is one of the main attributes of this study. It meant to organize and get through the acoustic simulation of a dwelling which rose up the diverse acoustic isolation levels and the main conditions posed by the barcelones real estate market. The outcomes gotten display the significance of the research presented in diverse situations. The first one is the analysis of the economic impact in the acoustic contamination, discovered in the willing to pay for residing in more acoustic dwellings. This analysis may be the information source for the public and private agents over the trade -off that is generated when the building techniques improve increasing the habitability of dwelling. Taken into consideration the methodology, the relevance is the designed scenery and the evaluation of the benefits related to the DB-HR launching. With the right incentive, people think over those complex situations which affect them (the advantages to improve the acoustic conditions of a house) and it is demonstrated that the contingent valuation method provides reliable information to perform the analysis of public policies. Finally, the econometric models display products which recommend that the ordered logit matches better the questioning format handle and allots reliable valuations in the willingness to pay. / El origen de la investigación responde al interés de obtener un valor para el silencio. Este argumento se sumó a la expectación generada por la implementación del Documento básico de Protección Frente al Ruido (DB-HR) del Código Técnico de la Edificación (CTE), en él se aumentaron las exigencias prestacionales en las edificaciones y de aquí manan las siguientes preguntas ¿cuánto están las personas dispuestas a pagar por habitar una vivienda más aislada acústicamente? ¿Está disposición supera el incremento en los costes de los sistemas constructivos que se desprenden de la citada normativa? La hipótesis de trabajo plantea que el coste de desarrollo de las técnicas constructivas indicadas por el CTE, que mejoran el confort acústico de las viviendas, es menor que el beneficio que los individuos perciben y expresan en su disposición a pagar por adquirir una vivienda con estas características. El objetivo es demostrar, para el mercado residencial de nueva planta barcelonés, que la disposición de las personas a pagar por habitar una vivienda que proporcione un mayor confort acústico, supera los costes de implementar sistemas de aislamiento más restrictivos. La tesis se estructura en dos partes: teórica y empirica. En la primera se abordan tanto conceptos de acústica, como de microeconomía aplicada en la valoración de bienes ambientales. El contexto supone la valoración de un bien (el silencio) que no tiene mercado, o de tenerlo, en el caso de la vivienda con mayor aislamiento, no puede satisfacer la demanda en el corto plazo. En estas situaciones la técnica de valoración contingente es un instrumento que más allá de sus interpretaciones, en general da respuestas viables a las preguntas anteriores . En la parte empírica se estiman los probables sobrecostes asociados al incremento en el aislamiento y la cuantificación de los beneficios relacionados a este cambio. El planteamiento implicó generar un mercado hipotético para que las personas revelasen sus preferencias. Es aquí donde se presenta uno de los principales atributos de la investigación: preparar y utilizar la simulación acústica de una vivienda que cumple con distintos niveles de aislamiento y que incluye las principales características ofrecidas por el mercado inmobiliario barcelonés. Los resultados obtenidos indican que la relevancia de esta investigación se presenta en distintos ámbitos. El primero es el análisis del impacto monetario de la contaminación acústica, revelado en la disposición a pagar por habitar viviendas más aisladas. Este análisis puede ser fuente de información para los agentes públicos y privados sobre el trade-off que se genera cuando se mejoran los procesos de edificación que incrementan la habitabilidad de las viviendas. En términos metodológicos, lo relevante es el escenario diseñado y la evaluación de los beneficios que se asocian a la implantación del DB-HR. Con incentivos adecuados, los individuos opinan sobre cuestiones complejas que les afectan (las ventajas de mejorar las condiciones acústicas de la vivienda) y se comprueba que el método de valoración contingente proporciona información fiable para realizar el análisis de políticas públicas. Finalmente, en cuanto a los modelos econométricos, se presentan resultados que indican que el logístico ordinal se ajusta mejor al formato de pregunta empleado y proporciona estimaciones consistentes de la disposición a pagar.

Concentrated Solar Power (CSP) technologies are gaining increasing interest in electricity generation due to the good potential for scaling up renewable energy at the utility level. Parabolic trough solar collector (PTC) is economically the most proven and advanced of the various CSP technologies. The modelling of these devices is a key aspect in the improvement of their design and performances which can represent a considerable increase of the overall efficiency of solar power plants. In the subject of modelling and improving the performances of PTCs and their heat collector elements (HCEs), the thermal, optical and aerodynamic study of the fluid flow and heat transfer is a powerful tool for optimising the solar field output and increase the solar plant performance. This thesis is focused on the implementation of a general methodology able to simulate the thermal, optical and aerodynamic behaviour of PTCs. The methodology followed for the thermal modelling of a PTC, taking into account the realistic non-uniform solar heat flux in the azimuthal direction is presented. Although ab initio, the finite volume method (FVM) for solving the radiative transfer equation was considered, it has been later discarded among other reasons due to its high computational cost and the unsuitability of the method for treating the finite angular size of the Sun. To overcome these issues, a new optical model has been proposed. The new model, which is based on both the FVMand ray tracing techniques, uses a numerical-geometrical approach for considering the optic cone. The effect of different factors, such as: incident angle, geometric concentration and rim angle, on the solar heat flux distribution is addressed. The accuracy of the new model is verified and better results than the Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) model for the conditions under study are shown. Furthermore, the thermal behaviour of the PTC taking into account the nonuniform distribution of solar flux in the azimuthal direction is analysed. A general performance model based on an energy balance about the HCE is developed. Heat losses and thermal performances are determined and validated with Sandia Laboratories tests. The similarity between the temperature profile of both absorber and glass envelope and the solar flux distribution is also shown. In addition, the convection heat losses to the ambient and the effect of wind flow on the aerodynamic forces acting on the PTC structure are considered. To do this, detailed numerical simulations based on Large Eddy simulations (LES) are carried out. Simulations are performed at two Reynolds numbers of ReW1 = 3.6 × 105 and ReW2 = 1 × 106. These values corresponds to working conditions similar to those encountered in solar power plants for an Eurotrough PTC. The study has also considered different pitch angles mimicking the actual conditions of the PTC tracking mechanism along the day. Aerodynamic loads, i.e. drag and lift coefficients, are calculated and validatedwith measurements performed in wind tunnels. The indepen-dence of the aerodynamic coefficients with Reynolds numbers in the studied range is shown. Regarding the convection heat transfer taking place around the receiver, averaged local Nusselt number for the different pitch angles and Reynolds numbers have been computed and the influence of the parabola in the heat losses has been analysed. Last but not the least, the detailed analysis of the unsteady forces acting on the PTC structure has been conducted by means of the power spectra of several probes. The analysis has led to detect an increase of instabilities when moving the PTC to intermediate pitch angles. At these positions, the shear-layers formed at the sharp corners of the parabola interact shedding vortices with a high level of coherence. The coherent turbulence produces vibrations and stresses on the PTC structure which increase with the Reynolds number and eventually, might lead to structural failure under certain conditions.

Aquesta tesis es divideix en tres blocs on s’analitza l’efecte de diferents règims de flux en reaccions químiques. El primer bloc analitza una base de dades obtinguda a partir de simulació numèrica d’un flux reactiu i turbulent en una canal a baix nombre de Reynolds. Un dels reactius es alliberat al llarg del centre del canal i l’altre prop de les parets. Aquesta distribució produeix dues capes de barreja reactiva. Les fluctuacions de la concentració de les especies químiques es processen per determinar la contribució de les fluctuacions a petita i a gran escala en les capes de barreja. L’anàlisi s’estén per explicar les estructures de flux obtingudes. El segon bloc estudia un flux laminar i reactiu en una cavitat cilíndrica amb la paret superior rotativa. L’efecte de les diferents estructures de flux, obtingudes a diferents nombres de Reynolds en una reacció irreversible àcid-base, es mesura experimentalment amb les tècniques de PIV i PLIF, i numèricament a través de simulació on s’utilitzen volums finits. Les estructures de flux observades, les bombolles de recirculació en els trencaments de vòrtex així com els perfils numèrics de velocitat, estan d’acord amb els resultats experimentals i amb estudis previs. La comparació entre els contorns experimentals i numèrics de concentració de base a Re=1000 i 1500 es troben en concordança. A nombres de Reynolds més elevats, aquests contorns dintre del trencament del vòrtex difereixen. El tercer bloc analitza la taxa de partícules magnètiques depositades en les parets d’un microcanal. Un imant permanent es col•loca fora del canal per induir la deposició de les partícules que s’introdueixen a diferents caudals. S’utilitza un model matemàtic per simular la deposició de les partícules paramagnètiques i s’observa que a caudals elevats, els resultats numèrics i experimentals són consistents. / Esta tesis se divide en tres bloques donde se analiza el efecto de diferentes regímenes de flujo en reacciones químicas. El primer bloque analiza una base de datos obtenida a partir de simulación numérica de un flujo reactivo y turbulento en un canal a bajo número de Reynolds. Uno de los reactivos se libera a lo largo del centro del canal y el otro cerca de las paredes. Esta distribución produce dos capas de mezcla reactiva. Las fluctuaciones de la concentración de las especies químicas se procesan para determinar la contribución de las fluctuaciones a pequeña y a gran escala en las capas de mezcla. El análisis se extiende para explicar las estructuras de flujo obtenidas. El segundo bloque estudia un flujo laminar y reactivo en una cavidad cilíndrica con la pared superior rotativa. El efecto de las diferentes estructuras de flujo, obtenidas a diferentes números de Reynolds en una reacción irreversible ácido-base, se mide experimentalmente con las técnicas PIV y PLIF, y numéricamente a través de simulaciones que utilizan volúmenes finitos. Las estructuras de flujo observadas, las burbujas de recirculación en los rompimientos de vórtice así como los perfiles numéricos de velocidad están de acuerdo con los resultados experimentales y con estudios previos. La comparación entre los contornos experimentales y numéricos de concentración de base a Re=1000 y 1500 están en concordancia. A números de Reynolds más elevados, estos contornos dentro del rompimiento de vórtice difieren. El tercer bloque analiza la tasa de partículas magnéticas depositadas en las paredes de un microcanal. Un imán permanente se coloca fuera del canal para inducir la deposición de las partículas que se introducen a diferentes caudales. Se utiliza un modelo numérico para simular la deposición de partículas paramagnéticas y se observa que a caudales elevados, los resultados numéricos y experimentales son consistentes. / This thesis is divided in three blocks where the effect of different flow regimes in chemical reactions are analysed. First block analyses a database obtained from a direct numerical simulation of the turbulent reacting flow in a plane channel at low Reynolds number. One reactant is released along a line source at the center of the channel and the other near the walls. This distribution produces two reacting mass transfer mixing layers. The fluctuations of the concentration of the chemical species are processed to determine the contribution of the large and the small-scale fluctuations in the reacting mass transfer mixing layers. The analysis is extended to educe flow structures obtained. The second block analyses a laminar reactive flow in a cylindrical cavity with a rotating end wall. The effect of the different flow structures obtained at different Reynolds numbers on the irreversible fast acid-base neutralization is measured with a simultaneous PIV and PLIF techniques and simulated numerically with a finite volume code. The observed flow structure, the recirculation bubbles in the vortex breakdown regions as well as the numerical velocity profiles are in agreement with the measurements and with previous studies. The comparison between the experimental and numerical contours of concentration of base at Re=1000 and 1500 are in general agreement. At larger Reynolds numbers, the experimental and numerical contours of concentration of base inside the vortex breakdown differ. The third part analyses the rate of deposition of magnetic particles on the walls of microchannel. A permanent magnet is placed out of the channel to induce the deposition of the particles which are introduced at different flow rates. Additionally, a numerical model to simulate the deposition of the paramagnetic particles is studied and it is observed that, at high flow rates, the experimental and numerical results are consistent.

In this Thesis, new methods for monitoring marine species using optical, radio frequency and acoustic technologies have been proposed and evaluated for biological studies in the laboratory and open sea. A study of the current technologies for monitoring species has been carried out, analyzing the advantages and disadvantages of each one. Although optical technologies allow a non-contact (non-invasive) species monitoring, they require a correct positioning of the elements and they are limited to some factors such as the distance (range), the environmental conditions and the biofouling. Radiofrequency devices allow the study of species that come to the surface, or those that live in freshwater environments. But this technology is restricted in the marine environment due the high absorption of the electromagnetic signals in that environment. Acoustic devices facilitate the monitoring of species in open sea and large areas, allowing location and tracking of the animals, but this technology has to challenge different aspects such as the multipath, the temporal and spatial variation of the channel or the Doppler effect, among others. This research has been divided in three parts according the above technologies, in which have been proposed, designed and evaluated successfully different systems to monitoring species. First, the infrared detectors and low-cost cameras have been evaluated for laboratory applications. The proposal provides different solutions such the expansion and the auto configuration to make the system independent of the aquaria size. Likewise, through different algorithms proposed have been reduced false activity detections caused by changes in water quality (turbidity), the presence of particles that obstruct the line of sight between the transmitter and the receiver, and the deterioration of the transducers. In the second part of this work, solutions have been proposed using RFID (Radio Frequency IDentification) technology through the design and experimental validation of a system for tracking species in experimental aquaria. The proposal provides solutions applied to make the system independent of the aquaria size. The results have demonstrated the validity of this technology to locate and track benthic species in confined spaces with a resolution of several centimeters. Finally, the performance of a commercial acoustic monitoring system in shallow waters and near an artificial reef environment where complex and numerous reflections occur, has been evaluated. Due to the lack of standards, the incompatibility between manufacturers and the need to improve the previous results, this part of the research has been directed to build and evaluated an acoustic underwater transducer prototype and an open OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) communication platform, approaching the current advances in underwater acoustics towards the species monitoring systems. / En este trabajo de Tesis se proponen y evalúan nuevos métodos para la monitorización de especies marinas, empleando tecnologías ópticas, por radiofrecuencia y acústicas para estudios biológicos en laboratorio (acuarios de experimentación) y en espacios abiertos. Se ha realizado un estudio de las tecnologías empleadas para la monitorización de especies, presentado y analizado las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Aunque la tecnología óptica permite el estudio de especies sin contacto (no invasiva), requiere un correcto posicionamiento de sus elementos y está limitada por el alcance, las condiciones cambiantes del medio y la bioincrustación. Los dispositivos de radiofrecuencia permiten el estudio de especies que emergen a la superficie, o las que habitan en entornos de agua dulce; en el entorno marino esta tecnología se encuentra restringida debido a la gran absorción que sufren las señales electromagnéticas en ese medio. Los dispositivos acústicos facilitan la monitorización de especies en espacios abiertos de gran extensión, permitiendo su localización y seguimiento; sin embargo, esta tecnología presenta una gran sensibilidad a diferentes factores que impone el medio marino como el multicamino, la variación temporal y espacial del canal o el efecto Doppler, entre otros. La investigación se ha estructurado en tres partes donde, utilizando las tecnologías citadas, se han propuesto, diseñado y validado con éxito diferentes sistemas de medida. En primer lugar, se han evaluado los detectores de infrarrojos y las cámaras de bajo coste para la monitorización de especies en laboratorio. La propuesta contempla diferentes soluciones que independizan el sistema de las dimensiones del acuario, permitiendo su ampliación y configuración automática. Así mismo, mediante los algoritmos de procesado programados se han reducido las detecciones erróneas causadas por alteraciones de la calidad del agua (turbiedad), la presencia de partículas que obstruyen la línea de vista entre el par emisor-receptor y el deterioro de los transductores. En la segunda parte del trabajo de Tesis se han propuesto soluciones aplicando la tecnología RFID (Radio Frequency IDentification), mediante el diseño y validación experimental de un sistema de localización y seguimiento de especies en acuarios de experimentación. La propuesta realizada plantea mecanismos que independizan el sistema del tamaño del acuario, y permiten la autoconfiguración de sus componentes. Los resultados obtenidos han demostrado la validez de esta tecnología para localizar y seguir la trayectoria de especies bentónicas en espacios reducidos y con una resolución de varios centímetros. Finalmente, se ha evaluado el rendimiento de un equipo acústico comercial en mar abierto, a baja profundidad y en las proximidades de un entorno con arrecifes artificiales, donde ocurren complejas y numerosas reflexiones. Debido a la falta de estándares, la incompatibilidad entre fabricantes y con objeto de mejorar los resultados anteriores, en esta parte de la investigación se ha propuesto, construido y evaluado un prototipo de transductor acústico y una plataforma abierta de comunicaciones OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing), acercando la tendencia y los avances actuales en materia de comunicaciones acústicas a los sistemas de monitorización de especies marinas.

Un aspecte fonamental quan cal resoldre un problema vibroacústic en un sistema mecànic és el de determinar com flueix l’energia des d’una font donada, cap a qualsevol part del sistema. Això permet decidir quines són les accions a prendre per disminuir, per exemple, els nivells de soroll i vibracions en una determinada àrea del sistema. El comportament dinàmic d’un sistema mecànic es pot estimar utilitzant diversos mètodes numèrics, cadascun dels quals enfocat a un marge de freqüència determinat. Mentre a baixes freqüències es poden aplicar mètodes deterministes com el Mètode d’Elements Finits (FEM) o el Mètode d’Elements de Contorn (BEM), a altes freqüències, els mètodes estadístics com l’Anàlisi Estadística Energètica (SEA), esdevenen inevitables. A més a més, diverses tècniques com el FE-SEA híbrid, els models de Distribució Energètica (ED) o l’Anàlisi Estadística de distribució d’Energia modal (SmEdA), entre d’altres, han estat recentment plantejades per tal de tractar amb l’anomenat problema de les mitges freqüències. Tanmateix, encara que alguns mètodes numèrics poden predir la resposta vibroacústica puntual o amitjanada d’un sistema, aquests no proporcionen de forma directa informació sobre com flueix l’energia per tot el sistema. Per tant, cal algun tipus de post-processament per a determinar quines són les vies de transmissió d’energia. L’energia transmesa a través d’un determinat camí que connecti un subsistema font, on l’energia és introduïda, i un subsistema receptor, es pot calcular numèricament. Tot i això, la identificació dels camins que dominen la transmissió d’energia des d’una font fins a un receptor normalment acostuma a basar-se en l’experiència i el parer de l’enginyer. Així doncs, un mètode que permeti obtenir aquests camins de forma automàtica resultaria molt útil. La teoria de grafs proporciona una sortida a aquest problema, ja que existeixen diversos algorismes de càlcul de camins en grafs. En aquesta tesi, es proposa un enllaç entre els models vibroacústics i la teoria de grafs, que permet adreçar els problemes de vies de transmissió de forma directa. La dissertació comença centrant-se en els models SEA. Primerament, es mostra que té sentit realitzar una anàlisi de vies de transmissió (TPA) en SEA. Seguidament, es defineix un graf que representa de forma acurada els models SEA. Tenint en compte que la transmissió d’energia entre fonts i receptors es pot justificar mitjançant la contribució d’un grup finit de vies dominants en varis casos d’interès, es presenta un algorisme per calcular-les. A continuació, s’implementa un algorisme que inclou en el càlcul de camins la naturalesa estocàstica dels factors de pèrdues SEA. Tot seguit, es tracta com es pot estendre l’anàlisi de vies de transmissió al marge de la mitja freqüència. L’aplicació de la teoria de grafs a les mitges freqüències s’adapta per alguns models ED, així com també SmEdA. Finalment, es presenta una altra possible aplicació de la teoria de grafs en vibroacústica. S’implementa una estratègia basada en algorismes de talls en grafs per tal de reduir l’energia en un subsistema receptor amb la modificació d’un grup reduït de factors de pèrdues. Aquest grup de variacions, es troba calculant talls en el graf que separin els subsistemes fonts dels receptors. / A fundamental aspect when solving a vibroacoustic problem in a mechanical system is that of finding out how energy flows from a given source to any part of the system. This would help making decisions to undertake actions for diminishing, for example, the noise or vibration levels at a given system area. The dynamic behavior of a mechanical system can be estimated using different numerical methods, each of them targeting a certain frequency range. Whereas at low frequencies deterministic methods such as the Finite Element Method (FEM) or the Boundary Element Method (BEM) can be applied, statistical methods like Statistical Energy Analysis (SEA) become unavoidable at high frequencies. In addition, a large variety of approaches such as the hybrid FE-SEA, the Energy Distribution (ED) models or the Statistical modal Energy distribution Analysis (SmEdA), among many others, have been recently proposed to tackle with the so-called mid-frequency problem. However, although numerical methods can predict the pointwise or averaged vibroacoustic response of a system, they do not directly provide information on how energy flows throughout the system. Therefore, some kind of post-processing is required to determine energy transmission paths. The energy transmitted through a particular path linking a source subsystem, where external energy is being input, and a target subsystem, can be computed numerically. Yet, identifying which paths dominate the whole energy transmission from source to target usually relies on the engineer's expertise and judgement. Thus, an approach for the automatic identification of those paths would prove very useful. Graph theory provides a way out to this problem, since powerful path algorithms for graphs are available. In this thesis, a link between vibroacoustic models and graph theory is proposed, which allows one to address energy transmission path problems in a straightforward manner. The dissertation starts focusing on SEA models. It is first shown that performing a transmission path analysis (TPA) in SEA makes sense. Then a graph that accurately represents the SEA model is defined. Given that the energy transmission between sources and targets is justified by the contribution of a limited group of dominant paths in many cases of practical interest, an algorithm to find them is presented. Thereafter, an enhanced algorithm is devised to include the stochastic nature of SEA loss factors in the ranking of paths. Next, it is discussed how transmission path analysis can be extended to the mid frequency range. The graph approach for path computation becomes adapted for some ED models, as well as for SmEdA. Finally, we outline another possible application of graph theory to vibroacoustics. A graph cut algorithm strategy is implemented to achieve energy reduction at a target subsystem with the sole modification of a reduced set of loss factors. The set is found by computing cuts in the graph separating source and receiver subsystems. / Un aspecto fundamental a la hora de resolver un problema vibroacústico en un sistema mecánico es el de determinar cómo fluye la energía desde una determinada fuente hasta cualquier parte del sistema. Ello ayudaría a tomar decisiones para emprender acciones destinadas a disminuir, por ejemplo, los niveles de ruido y vibraciones en un área del sistema dada. El comportamiento dinámico de un sistema mecánico se puede estimar utilizando varios métodos numéricos, cada uno de ellos enfocado a un determinado rango de frecuencia. Mientras en las bajas frecuencias se pueden aplicar métodos deterministas como el Método de los Elementos Finitos (FEM) o el método de Elementos de Contorno (BEM), los métodos estadísticos como el Análisis Estadístico Energético son inevitables en las altas frecuencias. Además, se han desarrollado gran variedad de técnicas como el FE-SEA híbrido, los modelos de Distribución de Energía (ED) o el Análisis Estadístico de distribución de Energía modal (SmEdA), entre otras, para tratar el llamado problema de las medias frecuencias. Sin embargo, aunque los métodos numéricos pueden predecir la respuesta vibroacústica puntual o promediada de un sistema mecánico, ellos no proporcionan información sobre como fluye la energía en el sistema. Por lo tanto, hace falta algún tipo de post-procesado para determinar las vías de transmisión de energía. La energía transmitida a través de un determinado camino que conecta un subsistema fuente, donde se introduce la energía, y un subsistema receptor, se puede calcular numéricamente. A pesar de ello, identificar qué caminos dominan la transmisión de energía desde la fuente al receptor normalmente suele recaer en la experiencia o el juicio del ingeniero. Así pues, un método automático para identificar estos caminos resultaría muy útil. La teoría de grafos proporciona una solución a este problema, ya que existen potentes algoritmos de cálculos de caminos en grafos. En esta tesis, se propone un enlace entre los modelos vibroacústicos y la teoría de grafos, que permite abordar los problemas de vías de transmisión de forma directa. La disertación empieza centrándose en los modelos SEA. Primeramente, se muestra que tiene sentido realizar un análisis de vías de transmisión (TPA) en un modelo SEA. Seguidamente, se define un grafo que representa fielmente un modelo SEA. Teniendo en cuenta que en muchos casos de interés práctico, la transmisión de energía entre fuentes y receptores se puede justificar mediante la contribución de un grupo finito de vías de transmisión, se define un algoritmo para encontrarlas. A continuación, se implementa un algoritmo que incluye en el cómputo de caminos la naturaleza estocástica de los factores de pérdidas SEA. Luego, se trata la extensión del análisis de vías de transmisión al rango de media frecuencia. La técnica de teoría de grafos aplicada a cálculo de caminos se adapta para algunos modelos ED y también SmEdA. Finalmente, se presenta otra posible aplicación de la teoría de grafos a la vibroacústica. Se implementa una estrategia basada en algoritmos de cortes en grafos destinada a reducir la energía en un subsistema receptor mediante la simple modificación de un grupo reducido de factores de pérdidas. El grupo se encuentra calculando cortes que separen en el grafo los subsistemas fuentes de los subsistemas receptores.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / Increasing global energy demand, growing carbon emissions and the depletion of fossil fuel sources are some of the most important driving forces for the development of sustainable energy solutions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have been demonstrated to be a potential candidate for clean energy conversion in a wide range of applications reaching from highly dynamic transportation systems to stationary systems. Despite their benefits, such as high efficiency and wide operating range, PEM fuel cells must still meet or exceed the technological advantages, such as durability and cost, of conventional power systems in order to be truly competitive. Thus, current research is focused on improving these aspects. This doctoral thesis combines experimental and model-based studies in order to improve performance and durability of PEM fuel cells, that work without external humidification, as demanded by recent government-supported research programs. Improved performance and durability can be obtained by proper system control. The key factor for the development of successful control strategies is adequate thermal and water management considering their interconnections. Therefore, this work investigates the important links between performance, efficiency and lifetime with respect to fuel cell temperature and humidification. The experimental evaluation of temperature-related and purge-related effects shows the great potential of improving the system performance by proper thermal management. In-situ and ex-situ experiments, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), gas chromatography (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to explore short-term and long-term effects of operation modes on performance and durability. To provide a better understanding of the experimentally observed phenomena and their different dynamics with respect to the development of efficient controllers, mathematical models have been derived. The dynamic models allow for relating electrode structure to the cell voltage transient behavior during changes in fuel cell temperature and humidification, including important phase change and ionomer sorption dynamics of water. The experimentally validated, model-based analysis provides recommendations of proper operating conditions and catalyst structure, such as optimal fuel cell temperature and adequate pore-size-distribution, in order to improve the PEM fuel cell performance. The modular character and inherent adaptability of the models has been successfully demonstrated in the study of water transport in a high temperature PEM fuel cell stack. It is shown how mathematical modeling can improve the interpretation of experimental results and provide insight into experimentally non-observable interactions. In conclusion, the presented laboratory and model-based work, including the developed experimental and mathematical tools, contribute to current international research targets for advancing sustainable energy solutions. / La creciente demanda mundial de energía, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono y el agotamiento de las fuentes de combustible fósiles son algunos de los factores más importantes para el desarrollo de soluciones basadas en energies sostenibles. Las pilas de combustible de tipo Proton Exchange Membrane (PEM) han demostrado ser un candidato potencial para la conversión limpia de la energía en una extensa gama de aplicaciones, desde los sistemas de transporte altamente dinámicos hasta sistemas estacionarios. No obstante sus beneficios, tales como una alta eficiencia y un amplio rango de operación, las pilas de combustible PEM todavía deben cumplir o superar las ventajas tecnológicas de los sistemas de energía convencionales, como son su durabilidad y coste, con el fin de ser verdaderamente competitivas. Por lo tanto, la investigación actual se centra en la mejora de estos aspectos. Esta tesis doctoral combina estudios experimentales y estudios basados en modelos físicos con el fin de mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM que trabajan sin humidificación externa, tal y como exigen recientes programas de investigación apoyados por los gobiernos. La mejora del rendimiento y de la durabilidad se puede obtener por control apropiado del sistema. El factor clave para el desarrollo de estrategias de control exitosas es la gestión adecuada de la temperatura y del agua y sus interconexiones. Por lo tanto, este trabajo investiga los vínculos importantes entre el rendimiento, la eficiencia y la vida útil con respecto a la temperatura de la pila de combustible y su humidificación. La evaluación experimental de los efectos relacionados con la temperatura y las purgas de hidrógeno muestra el gran potencial para mejorar el rendimiento del sistema pila mediante una gestión térmica adecuada. En esta tesis se emplean experimentos in-situ y ex-situ, tales como la espectroscopía electroquímica de impedancia (EIS), la voltametría cíclica (CV), la cromatografía de gases (CG), la espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), la difracción de rayos X (XRD) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de explorar los efectos a corto plazo y a largo plazo de los modos de operación sobre el rendimiento y la durabilidad de una pila PEM. Para proporcionar una mejor comprensión de los fenómenos observados experimentalmente y sus diferentes dinámicas para el correcto desarrollo de controladores eficientes, se derivan modelos matemáticos dinámicos. Los modelos permiten relacionar la estructura de los electrodos con el comportamiento transitorio del voltaje durante los cambios de temperatura y de humidificación de la pila de combustible, incluyendo las dinámicas importantes del cambio de fase y de adsorción y desorción del agua. El análisis basado en modelos validados experimentalmente proporciona recomendaciones de las condiciones de funcionamiento y de la estructura del catalizador, tales como la temperatura óptima y la distribución de tamaño de poros apropiada, con el fin de mejorar el rendimiento de la pila de combustible PEM. El carácter modular y la adaptabilidad inherente de los modelos propuestos se demuestra con éxito en el estudio de transporte de agua en un stack de pilas de combustible PEM de alta temperatura. Se muestra como el modelado matemático puede mejorar la interpretación de los resultados experimentales y proporcionar información sobre las interacciones que experimentalmente no son observables. En conclusión, el trabajo de laboratorio y el basado en modelos que se presenta en esta tesis doctoral, incluyendo las herramientas experimentales y matemáticas desarrolladas, contribuyen a la consecución de los actuales objetivos internacionales de investigación que deben permitir aportar mejoras en las soluciones basadas en energías sostenibles.

Los sistemas tales como edificios y veh¨ªculos est¨¢n sujetos a vibraciones que pueden causar mal funcionamiento, incomodidad o colapso. Para mitigar estas vibraciones, se suelen instalar amortiguadores. Estas estructuras se convierten en sistemas adaptr¨®nicos cuando los amortiguadores son controlables. Esta tesis se enfoca en la soluci¨®n del problema de vibraciones en edificios y veh¨ªculos usando amortiguadores magnetoreol¨®gicos (MR). Estos son unos amortiguadores controlables caracterizados por una din¨¢mica altamente no lineal. Adem¨¢s, los sistemas donde se instalan se caracterizan por la incertidumbre param¨¦trica, la limitaci¨®n de medidas y las perturbaciones desconocidas, lo que obliga al uso de t¨¦cnicas complejas de control. En esta tesis se usan Backstepping, QFT y H2/H¡Þ mixto para resolver el problema. Las leyes de control se verifican mediante simulaci¨®n y experimentaci¨®n. / Buildings and vehicle systems are subject to vibrations that may cause malfunctioning, discomfort or collapse. It is an extended practice to install damping devices in order to mitigate such vibrations. With controllable dampers, structures act as adaptronic systems. This dissertation focuses on solving the vibration mitigation problem in buildings and vehicles making use of magnetorheological (MR) dampers which are controllable devices characterized by a highly nonlinear dynamics. Additionally, the systems where they are installed, are characterized by parametric uncertainties, limited measurement availability and unknown disturbances. This implies the use of complex control techniques in order to get a reliable performance of the control system. This research makes use of Backstepping, QFT and Mixed H2/H¡Þ control techniques for achieving the proposed goal. These are verified thorugh simulations and experimentation.