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Evaluación de un sistema de energía solar térmica con captadores de tubos de vacío para suministro de agua caliente en bodegas
No full textLa industria agroalimentaria ocupa un lugar destacado en el consumo energético a nivel mundial. El gran incremento del precio de la energía desde 2021 ha ocasionado una subida notable de la factura energética. Ante este nuevo escenario, los sistemas solares térmicos (SST) pueden contribuir a reducir la factura energética y la dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, no existen antecedentes que analicen la viabilidad de utilizar SST en bodegas. Por ello, el presente trabajo analiza el impacto del nuevo contexto energético en la viabilidad y rentabilidad de los SST con captadores de tubo de vacío (CTV) para suministrar parte de la demanda de agua caliente de proceso en bodegas.
Para ello se ha caracterizado el potencial de producción de un SST-CTV experimental a temperaturas de hasta 90ºC estableciendo un modelo que permite conocer la energía útil que es capaz de aportar el SST-CTV en función de la irradiación, la temperatura del depósito y la temperatura ambiental.
A partir del modelo planteado, se ha analizado la viabilidad y rentabilidad del SST en 22500 casos, combinando diferentes patrones de consumo, localizaciones, precios de la energía y precios de la inversión necesaria. En cada escenario, se ha llevado a cabo una simulación energética con base horaria, calculando numerosos indicadores energéticos, de rentabilidad y determinando el dimensionamiento óptimo del SST.
Los resultados demuestran que un correcto dimensionamiento, a través de un cálculo preciso que tenga en cuenta la estacionalidad e irregularidad del patrón de consumo, es clave para alcanzar el ahorro y rentabilidad potencial del SST. El dimensionamiento en base a optimizar la ratio “Ahorro/payback” permite reducir el riesgo en un contexto de inestabilidad como el actual, alcanzando ahorros en la factura energética próximos al máximo potencial, pero con menor inversión necesaria.
En bodegas con alta demanda de agua caliente, relativamente uniforme a lo largo del año, el sistema solar optimizado permite alcanzar reducciones del consumo de energía próximas a 32% para localizaciones con hora solar pico (HSP) 3.0, 44% para HSP 4.0 y 52% para HSP 5.0, en más de la mitad de los escenarios analizados. Teniendo en cuenta el coste de la inversión, el ahorro en la factura energética a lo largo de la vida útil del SST alcanza valores entre 30% y 40% en escenarios favorables. Por ello, la inversión en el SST es rentable en la mayoría de casos, con paybacks inferiores a 4 años en un gran número de escenarios favorables, incluso en localizaciones con baja radiación (HSP 3.0).
Por el contrario, cuando la demanda es reducida y muy irregular, la inversión en el SST no es rentable en la mayoría de escenarios, incluso en localizaciones de alta radiación. No se puede reducir el consumo de energía sin incurrir en pérdidas económicas.
En bodegas con demanda intermedia y patrón más irregular que el de bodegas de gran demanda, el máximo porcentaje de reducción del consumo de energía disminuye a valores entre 21% y 42% dependiendo de la localización. Considerando escenarios intermedios próximos al contexto actual, el payback oscila entre 6 y 12 años.
Los resultados de esta tesis pueden ser de gran utilidad para la promoción y la implementación de los SST en bodegas, logrando un sector más competitivo y sostenible, menos dependiente de fuentes de energía no renovables procedentes de terceros países.
ABSTRACT
The agri-food industry occupies a prominent place in global energy consumption. The large increase in energy prices since 2021 has led to a significant rise in energy bills. Considering these new circunstances, solar water heating systems (SWHS) can contribute to reducing energy costs and dependence on fossil fuels. Nevertheless, there is no literature assessing the viability of using SWHS in wineries. Therefore, our research analyzes the impact of the new energy context on the viability and profitability of solar thermal systems with evacuated tube collectors (ETC) to satisfy part of the demand for process hot water in wineries.
With this goal in mind, the production potential of an experimental SWHS-ETC at temperatures up to 90ºC has been characterized by establishing a model which will enable us to ascertain the useful energy that the SWHS-ETC is able to provide as a function of irradiation, tank temperature and ambient temperature.
Following the suggested model, the viability and profitability of the SWHS has been analyzed in 22500 cases, combining different consumption patterns, locations, energy prices and prices of the necessary investment. In each scenario, an energy simulation was carried out on an hourly basis, calculating numerous energy and profitability indicators and determining the optimal sizing of the SWHS.
Results show that a correct sizing, along with an accurate calculation wich takes into account the seasonality and irregularity of the consumption pattern, is essential in order to achieve the potential savings and profitability of the SWHS. Sizing based on optimizing the "savings/payback" ratio makes it possible to reduce the risk in a context of instability such as the current one, achieving savings in the energy bill close to the maximum potential, but with less investment required.
In wineries with high hot water demand, relatively steady throughout the year, the optimized solar system enable energy consumption reductions close to 32% for locations with peak sun hour (PSH) 3.0, 44% for PSH 4.0 and 52% for PSH 5.0, in more than half of the scenarios analyzed. Taking into account the investment cost, the savings in the energy bill through out the useful life of the SWHS reach values between 30% and 40% in favourable scenarios. Therefore, the investment in SWHS is profitable in most cases, with paybacks of less than 4 years in a large number of favourable scenarios, even in locations with low radiation (PSH 3.0).
On the contrary, when demand is low and very irregular, investment in SWHS is not profitable in most scenarios, even in high radiation locations. It is not possible to reduce energy consumption without incurring economic losses.
In wineries with intermediate demand and a more irregular pattern than that of high-demand wineries, the maximum percentage of reduction in energy consumption decreases to values between 21% and 42% depending on the location. Considering intermediate scenarios close to the present day context, payback ranges from 6 to 12 years.
The conclusions of this thesis can be very valuable for the promotion and implementation of SWHS in wineries, achieving a more competitive and sustainable sector, less dependent on non-renewable energy sources from third countries
Modelo de plan estratégico para las empresas del sector pirotécnico español
No full textEl sector pirotécnico es un sector clave en la industria cultural y de ocio en España, con una larga tradición y un gran reconocimiento nacional e internacional.
La pirotecnia española se caracteriza por sus productos de alta calidad, su creatividad e innovación constante y su presencia en importantes festividades locales y nacionales que no serían lo mismo sin los espectáculos pirotécnicos.
Sin embargo, la pirotecnia española también se enfrenta a retos importantes y diversos desafíos como la competencia de otros países productores, la normativa y regulación cada vez más restrictiva y la necesidad de adaptarse a cambios tecnológicos y relacionados con la sostenibilidad.
Por ello, la elaboración de un modelo de Plan Estratégico para las empresas del sector, alineado con los Objetivos de Desarrollo Sostenible, se presenta como una oportunidad única para abordar y superar estos retos, consolidando el liderazgo del sector en el mercado nacional e internacional.
Abstract
The pyrothecnic sector is a key sector in the cultural and leisure industry in Spain, with a long tradition and great national and international recognition.
Spanish pyrotechnics arecharacterised by their high quality products, their creativity and constant innovation and their presence in important local and national festivities that would not be the samewithout pyrotechnic shows.
However, Spanish pyrotechnics also face important and diverse challenges such as competition from other producing countries, increasingly restrictive rules and regulations,
and the need to adapt to technological and sustainability-related changes.
Therefore, the development of a Strategic Plan model for companies in the sector, aligned with the Sustainable Development Goals, is presented as a unique opportunity to address and overcome these challenges, consolidating the sector's leadership in the national and international market
Simulación con cfds de flujos en tuberías de recirculación de fluidos
No full textEn el proyecto se realiza un desarrollo de un sistema de ventilación VMC de una vivienda unifamiliar para crear una metodología que facilite la compresión de la mecánica de fluidos.
La metodología consiste en el cálculo de la pérdida de carga en el programa comercial Easy VMC y Ansys Fluent y hacer una comparativa entre ambos.
En primer lugar, se emplea el software Easy VMC y se analizan los resultados de las diferentes geometrías (te de tres bocas, codos y reducciones).
A continuación, se emplea el programa Ansys Fluent y se calcula con el bloque resultados los valores de pérdida de carga. Los análisis realizados permiten valorar la influencia de las condiciones de contorno y otras variables sobre el proceso de mezclado.
Se concluye con la comparación de resultados siendo muy parecida en ambos programas.
ABSTRACT
In this project, a development of a VMC ventilation system of a single-family home is carried out.
The objective is to create a methodology that facilitates the undestanding of fluid mechanics. This methodology consists of calculating the pressure drop and making a comparison between the commercial program Easy VMC and Ansys Fluent.
First of all, the results of the Easy VMC software are going to be analysed. There are three different studies depending on the geometry (tee with three mouths, elbows and reductions).
Next, the Ansys Fluent program is used. With the result block the pressure drop is calculated. The analysis carried out, make it possible to assess the influence of boundary conditions and other variables on the mixing process.
It is concluded with the comparison of results being very similar in both programs
Genetic and anatomical diversity of forest species
No full textThis thesis aims to evaluate the genetic status of Ilex aquifolium after a long-lasting management in Montejo, a protected forest in the middle of the Iberian Peninsula. Furthermore, as this forest is located in one of the southern-most distributions of several species, the response of those species to different environmental variables was assessed. First, water loss on leaves and cuticles of I. aquifolium, then, irradiation effect on two species competing in the forest and aerosols effect on one riparian species.
RESUMEN
Esta tesis tiene como objetivo evaluar el estado genético de I. aquifolium tras una gestión prolongada de la misma. El estudio se lleva a cabo en el Hayedo de Montejo, un bosque protegido en el centro de la Península Ibérica, en la Comunidad de Madrid. Además, dada la ubicación única de este bosque, como una de las distribuciones más meridionales de varias especies, se evaluó la respuesta de dichas especies a diferentes variables ambientales. En primer lugar, se evaluó la pérdida y captación de agua en hojas y cutículas de I. aquifolium, luego, se estudió el efecto de la irradiación en dos especies que compiten por recursos a nivel de suelo y de cubierta arbórea y, por último, se valoró el efecto de los aerosoles en una especie ribereña
Multiproducción en la dehesa del centro peninsular : gestión adaptativa de pastos
No full textLa Sociedad Española para el Estudio de los Pastos, (SEEP) (Ferrer et al., 2002), definió el término de dehesa como “una superficie con árboles más o menos dispersos y un estrato herbáceo bien desarrollado, en la que ha sido eliminado, en gran parte, el arbustivo. Es de origen agrícola (tierras labradas en rotaciones largas) y ganadero. Su producción principal es la ganadería extensiva o semiextensiva, que suele aprovechar no sólo los pastos herbáceos, sino también ramón y los frutos del arbolado”. Esta tesis doctoral aborda algunas cuestiones productivas en los elementos de pastos herbáceos y de montanera de este complejo sistema agrosilvopastoral, enmarcado en una región española con poca información: las dehesas del centro peninsular. El trabajo aporta información complementaria a otras zonas de estudio asociados a la dehesa de encina y alcornoque más conocidas, como Extremadura o Andalucía occidental.
La caracterización de la producción de pastos es una información básica para la fijación de las cargas de pastoreo y garantizan una gestión óptima para garantizar la conservación de estas formaciones que proporcionan un servicio ecosistémico de abastecimiento y que de forma simultánea necesitan una presión mínima de pastoreo como perturbación que genera y conserva la enorme diversidad vegetal característica.
La tesis doctoral se centra en la caracterización y evaluación del efecto de distintos factores ecológicos (clima, suelo, posición topográfica, eventos extremos como heladas, etc.) y de gestión (fertilización) de los pastos herbáceos y de montanera de la dehesa del centro peninsular. Los distintos experimentos y construcción de largas series de datos se han realizado con diversas metodologías adecuadas para el seguimiento de las distintas formaciones y tipos de pastos. Se incluye el análisis de series muy largas de datos, con 21 años en pastos herbáceos y hasta 13 en el estudio de la montanera. Los resultados del trabajo proporcionan herramientas de gestión adaptativa de los pastos de la dehesa con recomendaciones sobre el empleo de productos para la fertilización fosfórica (tradicional y con fosfatos naturales, compatible con la producción ecológica), caracterización y evaluación de la influencia de determinados factores ecológicos y optimización de la gestión del arbolado para la producción de pastos de montanera. Incluye la influencia de fenómenos meteorológicos extremos (heladas y sequías) y la interacción con la producción animal del sistema.
Los resultados de esta tesis permiten realizar una caracterización de la variabilidad temporal y espacial de la producción de pastos herbáceos en las dehesas del centro peninsular y la importancia de algunos factores ecológicos, destacando la precipitación de primavera, que tiene un papel regulador en la larga serie de datos analizados. Se establece una recomendación de una carga máxima admisible de 0,5 UGM/ha. Se observó un efecto positivo de la aplicación de los fertilizantes analizados (tradicional NPK y fosfatos naturales) sobre la fertilidad del suelo, que mejoró los niveles de fósforo disponibles en ambos casos, siendo la respuesta a la aplicación de NPK más ventajosa respecto a la roca fosfórica, al obtenerse un ligero enriquecimiento en bases; este efecto presenta interacción con las precipitaciones de la estación. En cuanto a los pastos de montanera, se observó un amplio rango de variación entre las producciones medias anuales de bellota, que oscilaron entre 7,4 y 60,6 kg de bellota seca/encina. La variabilidad entre encinas también fue muy elevada y se observó un gran efecto de topografía y de las temperaturas mínimas de la estación.
ABSTRACT
The Spanish Society for the Study of Pastures, (SEEP) (Ferrer et al., 2002), defined the term dehesa as "An area with more or less dispersed trees and a well-developed herbaceous stratum, in which the shrub has been mostly eliminated. It is of agricultural origin (land tilled in long rotations) and livestock. Its main production is extensive or semi-extensive livestock, which usually takes advantage not only of herbaceous pastures, but also ramón and the fruits of the trees".
This doctoral thesis addresses some productive issues in the elements of herbaceous pastures and montanera of this complex agrosilvopastoral system framed in a Spanish region with little information: the agroforestry systems of the center of the peninsular. The work provides complementary information to other study areas associated with the best known holm oak and cork oak pasture, such as Extremadura or western Andalusia.
The characterization of pasture production is a basic information for the calculation of the grazing stocking rate and gives optimal management to guarantee the conservation of these formations that provide an ecosystem supply service and that simultaneously need a minimum grazing pressure as a disturbance that generates and conserves the enormous characteristic plant diversity.
The doctoral thesis focuses on the characterization and evaluation of the effect of different ecological factors (climate, soil, topographic position, extreme events such as frosts or droughts, etc.) and management (fertilization) of the herbaceous and montanera pastures of the dehesa of the center of the peninsular. The different experiments and the maintenance of long data series have been carried out with various methodologies suitable for monitoring the different formations and types of pastures dynamics. The analysis of very long series of data is included, with 21 years in herbaceous pastures and up to 13 in the study of the montanera.
The results of the work provide tools for adaptive management of pastures in the dehesa with recommendations on the use of products for phosphoric fertilization (traditional and with natural phosphates, compatible with organic production), characterization and evaluation of the influence of certain ecological factors and optimization of tree management for the production of montanera pastures. It includes the influence of extreme weather events (frost and drought) and the interaction with the animal production of the system.
The results of this thesis allow a characterization of the temporal and spatial variability of the production of herbaceous pastures in the pastures of the center of the peninsula and the importance of some ecological factors, highlighting the spring precipitation, which has a regulatory role in the long series of data analysed. A recommendation for a maximum permissible load of 0,5 UGM/ha is established. A positive effect of the application of the fertilizers analyzed (traditional NPK and natural phosphates) on soil fertility was observed, which improved the levels of phosphorus available in both cases, being the response to the application of NPK more advantageous with respect to the phosphate rock, to obtain a slight enrichment in bases; This effect has interaction with the rainfall of the season. As for montanera pastures, a wide range of variation was observed between the average annual acorn productions, which ranged between 7.4 and 60.6 kg of dry acorn/holm oak. The variability between holm oaks was also very high and a great effect of topography and minimum temperatures of the station was observed
Nuevos materiales para la elaboración de prefabricados en Edificación
No full textDe los materiales de construcción y edificación existente, aquellos con base escayola siguen siendo hoy en día de los más utilizados. Entre los principales factores que convierten a este material en óptimo para su aplicación se encuentran su abundancia en la naturaleza, su versatilidad debido a que se puede realizar prácticamente cualquier forma y su buena calidad de acabado. En este sentido, la evolución del estudio de nuevos materiales para su uso en edificación está derivando en sistemas constructivos prefabricados.
El sector de la edificación es uno de los que más recursos consume a nivel mundial, no solo a nivel de producción sino durante la vida útil de los edificios. Entre las principales fases del proceso edificatorio que más consumo produce se encuentran la obtención y tratamiento de materias primas, el transporte y puesta en obra de estos productos y, finalmente, la energía demandada por el edificio en función de los materiales empleados. Por ello, las oportunidades de avance y mejora del sector pasan por realizar una mejor gestión de estos productos, que en la mayoría de los casos va directamente relacionado con una mejora de las prestaciones de los materiales utilizados.
Esta tesis se encuadra en la creación y caracterización de nuevos materiales con base escayola para la elaboración de prefabricados en edificación. Para desarrollar estos nuevos materiales, se han utilizado adiciones, tanto naturales como sintéticas, con el fin de aportar mejoras al comportamiento de estos materiales. Estas mejoras se pueden clasificar como aligeramientos, propiedades mecánicas y propiedades físicas. Además, se han analizado y comparado la actuación de estos materiales expuestos a situaciones cotidianas en la edificación, así como su exposición a agentes ambientales que afectan a su funcionamiento.
En primer lugar, se han desarrollado y caracterizado dos materiales nuevos que, mediante la adición de fibras -naturales y sintéticas-, residuos y elementos poliméricos, han permitido mejorar las prestaciones de los materiales con respecto a los tradicionales. Como principales agentes de modificación de estos materiales se encuentran los polímeros, cuya adición ha repercutido de forma significativa en las propiedades físicas como la densidad y las propiedades mecánicas. Por otra parte, enmarcado en los ODS, dentro del desarrollo de estos nuevos materiales se han elaborado muestras con residuos de diferente procedencia, con el objetivo de mejorar también otras propiedades físicas que contribuyen al confort y la habitabilidad en la edificación como son la resistencia térmica y absorción acústica.
La segunda parte de los resultados muestra el análisis de los efectos producidos por agentes presentes en la edificación como el agua y el fuego en otros dos nuevos materiales, con el objetivo de valorar la idoneidad de estos para su uso en edificación. Algunas de las pruebas realizadas no vienen estandarizadas en la normativa, por lo que se ha utilizado metodología existente en la literatura con la intención de validar también estos métodos de ensayo como aptos para la caracterización de los materiales. El análisis se realiza sobre el comportamiento mecánico de los materiales después de haber sido sometidos a estos agentes. El interés de estas pruebas realizadas reside en su originalidad, ya que no existen investigaciones similares que determinen estas propiedades en la literatura.
Además, las investigaciones mencionadas han visto apoyada su validación con la consecución de varias patentes a nivel nacional, que vienen recogidas en los anexos del presente documento. Finalmente, después de las conclusiones extraídas de los resultados alcanzados en esta investigación, este trabajo recoge los resultados complementarios que han derivado del desarrollo de las investigaciones, que incluyen publicaciones en otras revistas indexadas, con estudios de materiales relacionados con materiales de base escayola, morteros y otras adiciones recicladas.
ABSTRACT
Of the existing building and construction materials, those based on plaster are still among the most widely used today. Among the main factors that make this material optimal for its application are its abundance in nature, its versatility due to the fact that it can be made in practically any shape and its good quality finish. In this sense, the evolution of the study of new materials for use in building is leading to prefabricated construction systems.
The building sector is one of the most resource-intensive sectors in the world, not only in terms of production but also during the useful life of buildings. Among the main phases of the building process that produce most consumption are the procurement and treatment of raw materials, the transport and installation of these products and, finally, the energy demanded by the building depending on the materials used. Therefore, the opportunities for progress and improvement in the sector involve better management of these products, which in most cases is directly related to an improvement in the performance of the materials used.
This thesis focuses on the creation and characterisation of new plaster-based materials for the production of prefabricated building products. In order to develop these new materials, both natural and synthetic additives have been used to improve the performance of these materials. These improvements can be classified as lightening, mechanical properties and physical properties. In addition, the performance of these materials exposed to everyday situations in the building industry, as well as their exposure to environmental agents that affect their performance, have been analysed and compared.
Firstly, two new materials have been developed and characterised which, through the addition of natural and synthetic fibres, waste and polymeric elements, have improved the performance of the materials with respect to traditional ones. The main agents of modification of these materials are polymers, the addition of which has had a significant impact on physical properties such as density and mechanical properties. On the other hand, within the framework of the ODS, as part of the development of these new materials, samples have been made with waste from different sources, with the aim of also improving other physical properties that contribute to comfort and habitability in buildings, such as thermal resistance and acoustic absorption.
The second part of the results shows the analysis of the effects produced by agents present in buildings such as water and fire on two other new materials, with the aim of assessing their suitability for use in buildings. Some of the tests carried out are not standardised in the regulations, which is why we have used existing methodology in the literature with the intention of also validating these test methods as suitable for the characterisation of the materials. The analysis is carried out on the mechanical behaviour of the materials after having been subjected to these agents. The interest of these tests lies in their originality, as there are no similar investigations that determine these properties in the literature.
Furthermore, the aforementioned research has been supported by the validation of several national patents, which are listed in the annexes to this document. Finally, after the conclusions drawn from the results achieved in this research, this work includes the complementary results derived from the development of the research, which include publications in other indexed journals, with studies of materials related to plaster-based materials, mortars and other recycled additions
Avances del modelo matemático de flujo del acuífero Almonte-Marismas : modelo de transporte, intrusión y zoom en zonas de interés ecológico
No full textLa tesis se centra en el acuífero costero de Almonte-Marismas (suroeste de España), fuente de agua clave para la supervivencia de los humedales pertenecientes al Parque Nacional de Doñana. En la actualidad, el acuífero está expuesto a graves amenazas provocadas directamente por la gran cantidad de extracción de aguas subterráneas para riego y abastecimiento público, como es el caso del complejo turístico costero de Matalascañas. La laguna de Santa Olalla es la laguna de agua dulce más importante del Parque Natural de Doñana debido a que presenta un hidroperiodo permanente y se encuentra a escasos kilómetros del mencionado complejo turístico. Los descensos críticos observados en algunos de los piezómetros profundos instalados en Matalascañas generaron preocupación por la potencial existencia de intrusión de agua salina, lo cual podría ser probable que ocurriese en el acuífero bajo una explotación constante. A pesar de que algunos estudios abordaron esta preocupación desde la década de 1990, hasta el día de hoy no hay evidencia experimental sobre ningún fenómeno de intrusión de agua salada en el acuífero Almonte-Marismas.
Actualmente el acuífero Almonte-Marismas es gestionado por la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir con el apoyo de un modelo matemático de aguas subterráneas basado en el código numérico MODFLOW y la interfaz Modelmuse. En los modelos regionales de este tipo, a gran escala, no es común encontrar que se incluyan las relaciones entre el acuífero regional y los pequeños humedales dependientes del mismo. Esto normalmente ocurre debido a la pequeña cantidad de agua intercambiada entre ambos sistemas. Sin embargo, si los recursos de agua subterránea que mantienen los ecosistemas asociados a los humedales se gestionan de manera inadecuada, el impacto ecológico puede ser muy importante.
El objetivo general de la presente tesis es investigar las posibles mejoras futuras del modelo numérico de aguas subterráneas como herramienta de gestión del acuífero Almonte-Marismas en el entorno de la laguna de Santa Olalla. Más específicamente se han planteados dos objetivos concretos.
El primer objetivo principal de esta tesis es investigar la relación de la laguna de Santa Olalla con el acuífero Almonte-Marismas dentro del modelo matemático. Para ello se han estudiado las ventajas y desventajas que ofrecen las subrutinas de DRAIN, RIVER y LAKE del código MODFLOW al considerar una discretización local a pequeña escala en el entorno de la laguna de Santa Olalla utilizando MODFLOW LGR-V2 y, sin considerar dicha discretización local. Los resultados muestran que la condición de contorno de la subrutina DRAIN con una discretización grosera implementada a través de ModelMuse, permite obtener una representación más adecuada y ajustada de los niveles piezométricos en la zona de laguna. Sin embargo, con la subrutina de LAKE, el uso de la discretización local es muy útil ya que se inactiva la celda en la que se encuentra. A raíz de las conclusiones obtenidas, la tesis también enumera pautas para modelizar lagunas dentro de un acuífero regional empleando estas subrutinas con la interfaz ModelMuse.
El segundo objetivo principal de la tesis es explicar la existencia o ausencia de intrusión de agua de mar mediante una simulación 2D de densidad variable en el área de Matalascañas. Adicionalmente, se ha simulado un escenario que estudia el comportamiento del avance del agua del mar 126 años después a partir del periodo simulado considerando que no existen cambios climáticos ni modificación de las extracciones. Los resultados muestran que no hay intrusión de agua de mar debido a la contribución del flujo subterráneo de agua dulce procedente del acuífero aguas arriba.
ABSTRACT
The PhD focuses on the coastal aquifer of Almonte-Marismas (southwestern Spain). It’s a key water source for the survival of the wetlands belonging to the Doñana National Park. Currently, the aquifer is exposed to serious threats caused directly by the large amount of groundwater extraction for irrigation and public supply, as is the case of the Matalascañas coastal tourist complex. The Santa Olalla lagoon is the most important freshwater lagoon in the Doñana Natural Park because it has a permanent hydroperiod and is located a few kilometers from Matalascañas. The critical drops observed in some of the deep piezometers installed in Matascañas generated concern by the intrusion of salt water that is very likely to occur in the aquifer, under constant exploitation. Even though some studies have addressed this concern since the 1990s, to this day there is still no evidence of any saltwater intrusion phenomenon in the Almonte-Marismas aquifer.
The Almonte-Marismas aquifer is currently managed by the Guadalquivir Hydrographic Confederation with the support of a groundwater mathematical model based on the MODFLOW numerical code and the Modelmuse interface. In regional models of this type, on a large scale, it is not common to find that the relationships between the regional aquifer and the small wetlands dependent on it are included. This fact usually happens due to the small amount of water exchanged between both systems. However, if the groundwater resources that support wetland-associated ecosystems are inadequately managed, the ecological impact can be very significant.
The general objective of this thesis is to investigate possible future improvements of the numerical groundwater model as a management tool for the Almonte-Marismas aquifer in the area around the Santa Olalla lagoon. More specifically, two specific objectives have been proposed.
The first main objective of this thesis is to investigate the relationship of the Santa Olalla lagoon with the Almonte-Marismas aquifer system within the mathematical model. For this purpose, it has been studied the advantages and disadvantages offered by DRAIN, RIVER and LAKE MODFLOW packages with and without making a local discretization on a small scale of Santa Olalla lagoon by using the MODFLOW LGR-V2. The results show that the boundary condition of the DRAIN package with a coarse discretization, makes a more adjusted representation of the groundwater piezometric levels in the lagoon environment. However, as the LAKE package inactivates the cell where it is in, the use of the local discretization is very useful. Following the conclusions obtained, also it has been possible to make a guideline about modeling lagoons in regional aquifers by using ModelMuse.
The second main objective of the thesis is to explain the absence of seawater intrusion through a variable density 2D simulation of the Matalascañas area. Additionally, a scenario has been simulated that studies the behavior of the advance of seawater 126 years after the simulated period considering that there are no climatic or pumpings changes. Results show that there is no seawater intrusion due to the contribution of freshwater flow from the upstream aquifer
Development and experimental correlation of machine learning models for the diagnosis of processing disturbances in the liquid moulding of structural composites
No full textLiquid Composite Moulding (LCM) techniques are frequently used to produce relatively inexpensive fibre-reinforced composite parts of high quality. A liquid resin infiltrates a dry, porous, fibrous medium inside a shaped mould in LCM. Multiple factors can contribute to process uncertainties that can compromise the mechanical performance of the final composite part and necessitate an optimum control of the material and process parameters.
Process-induced defects restrict the structural applicability of the LCM technique. An adequately fabricated composite component should only be comprised of fibres and matrix. In LCM, however, detecting voids and unimpregnated filaments within composite articles is not uncommon. A defect is an irregularity that causes a composite element to deviate from its design specifications. Defects can form in composite materials during the majority of manufacturing processes. These defects include gaps, overlaps, particles, contaminants, and improper injection and curing procedures. Race-tracking is a processing disturbance generated by unexpected resin channels at mould edges that may form dry spots and porosity. Consistent adherence to the manufacturing process should address such deviations from specifications. Artificial intelligence may help the industry to apply control measures and compliances to reduce the frequency of these issues significantly. This thesis aims to develop a machine learning (ML)-based expert system capable of classifying and predicting processing disturbances properties that occur during the manufacturing of structural composites using LCM. The ML models use the pressure signals recorded by a sensor network as input, classifying the race-tracking event from a set of possible scenarios and delivering variable regression for their position, size and strength. Pressure sensor signals were stored as footprints and analysed with state-of-the-art ML architectures (XGBoost, ResNet, DenseNet). The ML models were trained with only synthetic data obtained from the race-tracking events’ computational fluid dynamic simulations (OpenFoam). The ML classifier and regressors were trained using a synthetically generated simulation data set obtained throughout computational fluid dynamics (CFD) simulations. The time evolution of the pressure sensors was used as grey-level images, or footprints, as inputs to the ML models. The trained models could recognise the presence of race-tracking channels from the pressure data yielding good accuracy in terms of label prediction as well as position, size and strength. The model correlation was carried out with injection experiments with constant-thickness closed moulds containing induced race-tracking channels and dissimilar permeability regions. Uncertainty analysis was carried out in the classification part with a Monte Carlo Bayesian approach. A model implementation based on domain adaptation techniques with adversarial training was used to incorporate stochastic experimental effects and model inadequacies. The accuracy of the models is presented and discussed using the confusion matrices of their results. The non-stochastic DenseNet model renders 76% accuracy for predicting an experimental data set comprising 50 tests containing different race-tracking channels. By adversarial training with a combination of experimental and synthetic data, the accuracy of the DenseNet improved to 84%.
For the regression part, a supervised ML model based on the Residual Network (ResNet), a well-known artificial intelligence architecture for image recognition, is used to address race-tracking channel properties. The trained model recognised the presence of race-tracking channels from the pressure data yielding good accuracy in position, size and strength.
RESUMEN
Las técnicas de moldeo de compuestos líquidos (LCM) se utilizan con frecuencia para producir piezas de materiales compuestos reforzados con fibra relativamente económicas y de alta calidad. Una resina líquida se infiltra en un medio seco, poroso y fibroso dentro de un molde con forma en LCM. Múltiples factores pueden contribuir a las incertidumbres del proceso que pueden comprometer el rendimiento mecánico de la pieza compuesta final y requieren un control óptimo del material y los parámetros del proceso.
Los defectos inducidos por el proceso restringen la aplicabilidad estructural de la técnica LCM. Un componente compuesto fabricado adecuadamente debe estar compuesto únicamente por fibras y matriz. En LCM, sin embargo, la detección de huecos y filamentos no impregnados dentro de artículos compuestos no es infrecuente. Un defecto es una irregularidad que hace que un elemento compuesto se desvíe de sus especificaciones de diseño. Se pueden formar defectos en los materiales compuestos durante la mayoría de los procesos de fabricación. Estos defectos incluyen espacios, superposiciones, partículas, contaminantes y procedimientos inadecuados de inyección y curado. Race-tracking es una perturbación del procesamiento generada por canales de resina inesperados en los bordes del molde que pueden formar puntos secos y porosidad. La adherencia constante al proceso de fabricación debe abordar tales desviaciones de las especificaciones. La inteligencia artificial puede ayudar a la industria a aplicar medidas de control y cumplimiento para reducir significativamente la frecuencia de estos problemas. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un sistema experto basado en aprendizaje automático (ML) capaz de clasificar y predecir las propiedades de perturbaciones de procesamiento que ocurren durante la fabricación de materiales compuestos estructurales utilizando LCM. Los modelos ML utilizan las señales de presión registradas por una red de sensores como entrada, clasificando el evento de seguimiento de carreras de un conjunto de escenarios posibles y entregando una regresión variable para su posición, tamaño y fuerza. Las señales de los sensores de presión se almacenaron como huellas y se analizaron con arquitecturas ML de última generación (XGBoost, ResNet, DenseNet). Los modelos ML se entrenaron solo con datos sintéticos obtenidos de las simulaciones dinámicas de fluidos computacionales de los eventos de seguimiento de carreras (OpenFoam). El clasificador ML y los regresores se entrenaron utilizando un conjunto de datos de simulación generados sintéticamente obtenidos a través de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD). La evolución temporal de los sensores de presión se utilizó como imágenes de nivel de gris, o huellas, como entradas para los modelos ML. Los modelos entrenados pudieron reconocer la presencia de canales de seguimiento de carreras a partir de los datos de presión, lo que brindó una buena precisión en términos de predicción de etiquetas, así como de posición, tamaño y fuerza. La correlación del modelo se llevó a cabo con experimentos de inyección con moldes cerrados de espesor constante que contenían canales de seguimiento de carreras inducidos y regiones de permeabilidad diferentes. El análisis de incertidumbre se llevó a cabo en la parte de clasificación con un enfoque bayesiano de Montecarlo. Se utilizó una implementación de modelo basada en técnicas de adaptación de dominio con entrenamiento contradictorio para incorporar efectos experimentales estocásticos e insuficiencias del modelo. La precisión de los modelos se presenta y discute utilizando las matrices de confusión de sus resultados. El modelo DenseNet no estocástico ofrece una precisión del 76% para predecir un conjunto de datos experimentales que comprende 50 pruebas que contienen diferentes canales de seguimiento de carreras. Mediante entrenamiento adversario con una combinación de datos experimentales y sintéticos, la precisión de DenseNet mejoró a 84%.
Para la parte de regresión, se utiliza un modelo de ML supervisado basado en Residual Network (ResNet), una conocida arquitectura de inteligencia artificial para el reconocimiento de imágenes, para abordar las propiedades del canal de seguimiento de carreras. El modelo entrenado reconoció la presencia de canales de seguimiento de carreras a partir de los datos de presión, lo que arrojó una buena precisión en la posición, el tamaño y la fuerza
Estudio del comportamiento del refuerzo con CFRP de pilares rectangulares de hormigón armado basado en ensayos a escala real
No full textEn este trabajo se estudia el comportamiento bajo compresión axial pura de pilares de hormigón armado de secciones cuadradas y rectangulares reforzados con material compuesto de tipo CFRP. En primer lugar, se llevó a cabo el estudio del estado de conocimiento, que evidenció la falta de campañas experimentales sobre prototipos a escala real, hecho debido a la complejidad de los fenómenos y de los propios ensayos, así como a la falta de los medios necesarios en muchos laboratorios. Además, la mayoría de los modelos de di-seño existentes se basan en ensayos de probetas de sección circular y escala reducida. Aunque es conocido que el refuerzo por confinamiento es menos eficaz en pilares de sección cuadrada o rectangular, no está bien establecida la influencia de parámetros como la relación de lados h/b o el radio del redondeo de las esquinas Rc.
Para abordar estas lagunas, en este estudio se ha desarrollado una extensa campaña experimental de 23 pilares de hormigón armado a escala real con altura H de 2,4 m, reforzados con diferentes cuantías de refuerzo (1, 2 y 3 capas de CFRP con espesor de 0,129 mm por capa), con sección transversal cuadrada y rectangular (h/b =1, h/b =1,5 y h/b = 2), y dos radios de redondeo de las esquinas (Rc= 20 mm y Rc= 40 mm). Dentro del conjunto de ensayos se incluyeron 3 pilares de sección circular para comparar la eficacia del refuerzo en términos de resistencia y deformación axial. El hormigón es de resistencia relativamente baja, alrededor de 20 MPa.
A partir de los resultados experimentales se ha probado que el confinamiento mediante camisas de CFRP permite mejorar significativamente tanto la capacidad resistente como la deformación de pilares de hormigón armado de sección cuadrada y rectangular cuyas es-quinas se redondeen con carácter previo a la ejecución del refuerzo. Las variables más im-portantes que aseguran la eficacia resistente y ductilidad son la relación de lados (h/b), elradio de curvatura de las esquinas (Rc) y la cuantía de refuerzo (pFRP). La eficacia del re-fuerzo disminuirá cuando aumente la relación de lados, se reduzca significativamente el radio de redondeo y disminuya también la cantidad de refuerzo.
En este estudio, se han recopilado los datos experimentales disponibles en la bibliografía de pilares de hormigón armado con secciones cuadradas y rectangulares confinados con una variedad de cuantías pFRP. Se han comparado los resultados experimentales de otros autores y los de esta tesis con los principales modelos de cálculo y cuatro guías internacionales de proyecto (ACI, fib, CNR y TR55), poniéndose de manifiesto que la mayoría de los modelos existentes y las guías no predicen bien la resistencia y deformación máximas. Mientras los modelos consideran que el confinamiento es eficaz sólo si la respuesta tensión-deformación es ascendente, en este trabajo se ha comprobado que con curvas descendentes se pueden obtener mejoras importantes en resistencia a la compresión y, sobre todo, deformación. Se ha observado y cuantificado el incremento de ductilidad que en estudios anteriores no se ha tenido en cuenta.
Se ha propuesto un nuevo modelo de análisis para pilares de sección cuadrada y rectangular que incluye los parámetros geométricos de estudio, el confinamiento por los cercos (no incluido en las guías existentes) y un factor que considera la resistencia del hormigón inicial. Con el nuevo modelo se pueden predecir dos posibles respuestas tensión-deformación, ascendente y descendente y calcular los valores de fcc, fccu, ECC, ECCUcon expresiones muy simples.
Finalmente se ha realizado una comparación teórico experimental con los valores experimentales de este estudio y los recopilados de la bibliografía que muestran que los resulta-dos utilizando el nuevo modelo propuesto en esta tesis son considerablemente mejores que los obtenidos con anteriores modelos y guías de proyecto vigentes.
ABSTRACT
In this work, the behaviour under pure axial compression of reinforced concrete columns of square and rectangular cross-sections strengthened using CFRP composite material has been studied. First of all, a study into the state of knowledge was carried out, which revea-led the lack of experimental series on full scale prototypes, due to the difficulty of perfor-ming the experiments, as well as the limited means available in many laboratories. Furt-hermore, the large part of the existing design models is based on tests on small-scale cir-cular specimens. While it is known that confinement reinforcement is less effective in square or rectangular columns, the influence of parameters such as the aspect ratio h/b or the corner rounding radius Rc is not overly established.
To address these issues, an extensive experimental study involving 23 full-scale reinforced concrete columns with height H of 2.4 m, strengthened with different amounts of reinfor-cement (1, 2 and 3 layers of CFRP with a thickness of 0.129 mm per layer), with square and rectangular cross-sections (h/b = 1, h/b = 1.5 and h/b = 2), and two corner rounding radii (Rc = 20 mm and Rc = 40 mm) has been carried out in this study. Within the test progra-mme, 3 circular section columns were included to compare the effectiveness of the rein-forcement in terms of strength and axial strain. The concrete is of relatively low strength, around 20 MPa.
The experimental results show that confinement with CFRP jackets significantly improves both the strength and strain of square and rectangular reinforced concrete columns with rounded corners before the strengthening is applied. The most important variables that ensure strength efficiency and ductility are the aspect ratio (h/b), the radius of curvature of the corners (Rc) and the amount of reinforcement (pFRP). The effectiveness of the rein-forcement decrease when the aspect ratio increases, while the rounding radius decreases significantly, and the amount of reinforcement similarly experiences a drop.
In this study, the experimental data available in the literature for reinforced concrete co-lumns with square and rectangular cross-sections confined with a variety of CFRP amounts (pFRP) have been compiled. The experimental results of other authors and those of this thesis have been compared with the main design models and four international design guides (ACI, fib, CNR and TR55), showing that most of the existing models and guides do not suitably predict the maximum strength and strain. While the models consider that confi-nement is effective only if the stress-strain behaviour is ascending, this work shows that with descending curves, significant improvements in compressive strength and, especially, strain can be obtained. The increase in ductility, which has not been taken into account in previous studies, has been observed and quantified.
A new analysis model has been proposed for square and rectangular cross-section columns that includes the geometrical parameters of study, the confinement by the stirrups (not included in the existing guides) and a factor that takes into account the unconfined con-crete strength. With the new model, two possible stress-strain responses, ascending and descending, can be predicted meaning the values of fcc, fccu, ECC, ECCUmay be calculated with very simple equations.
Finally, a theoretical experimental comparison has been undertaken with the experimental values of this study and those compiled from the literature showing that the results using the new model proposed in this thesis are considerably better than those obtained with previous models and current project guidelines
4D Computational Analysis for the Integration of Tissue Formation with Cell Growth and Division Dynamics during Lateral Root Formation
No full textPostembryonic organogenesis plays a crucial role in the growth and adaptation of plants to changing environmental conditions. In Arabidopsis, the majority of the mature root system is composed of underground lateral roots (LRs). The process of LR formation consists of two main stages: pre-patterning and formative stages. The lateral root primordium (LRP) progresses through several developmental stages (I-VII) and gradually acquires the characteristic tissue organization of the primary root. Cell division and growth have been linked to the determination of cell fate and the shaping of organ morphology. Thereby, we wanted to address the importance of these forces in LRP organogenesis. For this, we used Light Sheet-based Fluorescence Microscopy (LSFM) for the generation of 4D recordings of developing LRP in several fluorescent marker lines (one for each identity) and cell membrane markers. The main goal of this study was to validate and deepen the knowledge about how different cell identities and their trajectories are specified at the early phases of the LR formative stage in Arabidopsis thaliana. This work focused on the formative stage of LR formation and was done by studying cell lineages through MaMuT software.
Altogether, our results suggest that the cell division pattern for SCN and QC establishment is regulated differently during LR formation, embryogenesis, and primary root growth in Arabidopsis and that before the actual QC development there could be an organizing like center or cells with CBF3 and weak WOX5 expression. Lastly, the dynamic expression patterns of vascular marker genes imply that the identity of vascular tissue is not a uniform characteristic throughout various developmental stages, suggesting the existence of additional specification mechanism for vascular cell identity development over time. This suggests that the initial vascular tissue identity observed during embryonic development is transient and not maintained in postembryonic. For all this, it was concluded that the histogenesis of the LRP is hierarchical and is organized in at least three development trajectories.
Our study not only provides evidence of an unprecedented hierarchy in a developmental process, but also explores and validates the cell identities previously described, thus shedding light on the long-term question of how plants conduct development programs to establish cell fate while growing or developing structures. Lastly, it was concluded that the histogenesis of the LRP is hierarchical and is organized in at least three development trajectories