Improved Riemann solvers for an accurate resolution of 1D and 2D shock profiles with application to hydraulic jumps

From the early stages of CFD, the computation of shocks using Finite Volume methods has been a very challenging task as they often prompt the generation of numerical anomalies. Such anomalies lead to an incorrect and unstable representation of the discrete shock profile that may eventually ruin the whole solution. The two most widespread anomalies are the slowly-moving shock anomaly and the carbuncle, which are deeply addressed in the literature in the framework of homogeneous problems, such as Euler equations. In this work, the presence of the aforementioned anomalies is studied in the framework of the 1D and 2D SWE and novel solvers that effectively reduce both anomalies, even in cases where source terms dominate the solution, are presented. Such solvers are based on the augmented Roe (ARoe) family of Riemann solvers, which account for the source term as an extra wave in the eigenstructure of the system. The novel method proposed here is based on the ARoe solver in combination with: (a) an improved flux extrapolation method based on a previous work, which circumvents the slowly-moving shock anomaly and (b) a contact wave smearing technique that avoids the carbuncle. The resulting method is able to eliminate the slowly-moving shock anomaly for 1D steady cases with source term. When dealing with 2D cases, the novel method proves to handle complex shock structures composed of hydraulic jumps over irregular bathymetries, avoiding the presence of the aforementioned anomalies

Comparación entre modelos de simulación para la interacción del corazón derecho e izquierdo bajo la influencia de patologías cardíacas

En este trabajo se va a desarrollar un modelo de simulación del sistema cardiopulmonar, que sirva como herramienta para poder estudiar el comportamiento fisiológico, realizar un análisis comparativo de tres modelos de elastancias variables en el tiempo (exponencial, coseno, y exponencial-coseno) y simular algunas patologías. El objetivo de este trabajo consiste en seleccionar cuál de los tres modelos es más adecuado para poder implementarlo en otros más complejos, teniendo en cuenta que la función de elastancia óptima tiene que tener un equilibrio entre el número de parámetros utilizados, y el realismo con el que simula el comportamiento fisiológico del sistema cardiopulmonar; Y en poder entender las consecuencias que provocan sobre el organismo, cada una de las enfermedades estudiadas. Después de realizar el análisis comparativo de elastancias, se ha llegado a la conclusión que para elegir un tipo de elastancia que pueda ser utilizada en otros modelos hemodinámicos más complejos, tiene que existir un equilibrio, entre el número de parámetros utilizados en el modelo de elastancia, y el realismo con el que simula l el comportamiento fisiológico del sistema circulatorio cardiopulmonar. El modelo de elastancia variable en el tiempo que mejor cumple este criterio, ha sido el modelo de elastancia cardíaca exponencial-coseno. Los resultados obtenidos al efectuar la simulación del sistema circulatorio cardiopulmonar sano y con anomalías, indican que nuestro modelo simula de manera realista la fisiología de manera relativamente simple, pero presenta limitaciones procedentes de las hipótesis realizadas para construir el modelo agregado

Deporte, estilo de vida activo y población: consideraciones a través del judo

A partir de unas interesantes reflexiones sobre el problema del sedentarismo en nuestra sociedad, el presente artículo aborda el papel de la educación física y el deporte como medio para paliar las consecuencias que se desprenden en el ámbito de salud pública de la falta de actividad física. El concepto de deporte debe evolucionar y transformarse, para así poder adaptarse a las necesidades que la población requiere de éste, en cuanto a accesibilidad y motivación, y a la vez, debe ajustarse a los parámetros que se solicitan al ejercicio físico, desde un punto de vista de la salud. En esta línea, se presenta una reflexión sobre cómo se debería transformar el judo para presentarse como una actividad atractiva y motivante que se ajuste a las directrices marcadas por el concepto de actividad física saludable. Además se resalta que ya en su origen, el judo surge más que como un deporte, como una práctica corporal que va mucho más allá que la mera especulación sobre los resultados

Gas separation with mixed matrix membranes obtained from MOF UiO-66-graphite oxide hybrids

UiO-66-GO hybrids were obtained by hydrothermal synthesis of MOF UiO-66 (a Zr terephthalate) on graphite oxide (GO). These hybrids with appropriate texture and presence of nanosized MOF particles (in the ca. 30–100 nm range) have been used as fillers to prepare mixed matrix membranes (MMMs) with two different polymers, polysulfone (PSF) and polyimide (PI), as the matrixes, with contents varying between 0 and 32 wt%. The MMMs were applied to the separation of H2/CH4 and CO2/CH4 mixtures at different temperatures (35, 60 and 90 °C). Besides finding a good filler-polymer interaction, in the particular case of the hybrid filler, the barrier effect of the GO and the microporosity of the MOF dominated the separation properties of the MMMs. In all cases (different MMMs and separation mixtures) the effect of the temperature was to increase the permeability with a simultaneous decrease in the corresponding selectivity. In terms of permselectivity, the best H2/CH4 separation results were obtained (at 35 °C) with a PI based MMM containing only UiO-66 as filler (H2 permeability of 73 Barrer and H2/CH4 selectivity of 151), while a hybrid UiO-66-GO filler produced the best CO2/CH4 performance (CO2/CH4 selectivity value of 51 at 21 Barrer of CO2), also using a PI polymer

Desarrollo de esquemas de muy alto orden con aplicación a flujos geofísicos

Los sistemas de ecuaciones en derivadas parciales de tipo hiperbólico se derivan de la aplicación de leyes de conservación a las magnitudes físicas fundamentales como la masa el momento o la energía y modelan una gran variedad de fenómenos físicos en el ámbito de la mecánica de fluidos. En este trabajo se estudia la resolución numérica de este tipo de sistemas ecuaciones mediante métodos numéricos desarrollados en el contexto de los volúmenes finitos. El trabajo se centra en esquemas numéricos de muy alto orden, que proporcionan una solución numérica más precisa y que resultan ser más eficientes conforme se refina la malla de cálculo. Se propone un método numérico de muy alto orden, denominado AR-ADER, de aplicación a sistemas de ecuaciones no lineales con términos fuentes. Además, se introducen una serie de mejoras en los procedimientos de reconstrucción WENO. Por otro lado, también se realiza la extensión a 2D de los procedimientos de reconstrucción WENO y de un esquema ADER para la resolución de ecuaciones lineales. El trabajo incluye resultados numéricos resultantes de la aplicación de los esquemas numéricos mencionados a diversos problemas que incluyen ecuaciones de transporte lineales, la ecuación de Burgers' y las ecuaciones de aguas poco profundas

Development of robust, physically-based numerical models for transport processes and geomorphodynamics changes

Bed changes in rivers may occur under several morphodynamics and hydrodynamics conditions. The modeling of this type of phenomena can be performed coupling the Shallow Water Equations (SWE) for the hydrodynamic part and the Exner equation for the morphodynamic part. The Exner equation states that the time variation of the sediment layer is due to the sediment transport discharge through the boundaries of the volume. Considering that sediment transport discharge are computed by means of sediment capacity formulae based on 1D experimental steady flows, the assessment of these empirical relations under unsteady 1D and 2D situations must be studied. In order to ensure the reliability of the numerical experimentation, the numerical scheme must handle correctly the coupling between the 2D SWE and the Exner equation under any condition. If possible, it is convenient to express the formulation of different empirical laws under a general framework. In consequence, a finite-volume numerical scheme that includes these two main features has been chosen as a benchmark for comparing the 1D and 2D results obtained when using several well known sediment transport formulae: Meyer-Peter and M\"uller, Ashida and Michiue, Engelund and Fredsoe, Fernandez Luque and Van Beek, Parker, Smart, Nielsen, Wong and Camenen and Larson. In addition, a new interpretation of the Smart empirical law is presented in order to cope with bed load transport over irregular beds of changing slope. Detailed results for this new modified empirical law together with the ones obtained with Meyer-Peter and M\"uller (which is the sediment capacity formula more used in hydraulic engineering) are provided for every test case analyzed. Furthermore, the Root Mean Square Error (RMSE) associated to every formula at each experimental condition is calculated with the purpose of evaluating quantitatively the overall behavior of each one. The results point out that the new interpretation of the Smart formula reaches the most accurate results in all cases, but in a genuinely 2D flow, that is, a situation involving more than one flow direction, the differences among sediment transport formulae are not as noticeable as in the 1D studied situations. Once the forecasting capacity of each sediment transport formula has been studied, another concern is the computational cost. The coupling between the SWE and the Exner equation by means of an augmented Jacobian matrix involves a high number of algebraic operations for computing the eigenvalues and the eigenvectors. Therefore, the computational cost is increased significantly, limiting the applicability of the numerical scheme to realistic situations where large domains are involved. In order to improve the computational efficiency, the coupling technique is modified, not decreasing the number of waves involved in the Riemann Problem but simplifying their definitions. The approach proposed in this thesis is a new strategy to combine concepts from hyperbolic conservation laws and conservative finite volume schemes. With the aim to control numerical stability in the most efficient form possible, a numerical eigenvalue is defined to control the discrete Exner equation in the explicit scheme. This bed wave celerity helps mainly to ensure conservation and to control automatically the numerical stability of the explicit scheme. The effects of the numerical coupling strategy proposed in this thesis are tested against exact solutions and 1D and 2D experimental data. The results emerging from this analysis show that efficiency and accuracy can be obtained when choosing an adequate sediment transport law and the stability condition is augmented by including a new celerity associated to the bed changes. On the other hand, in environmental and civil engineering applications, geomorphological changes are not only present in rivers but also in steep areas where massive mobilizations of poorly sorted material can occur. This sliding material is usually composed by a mixture of sand and water. For simplifying the phenomenon, dry granular flows have been considered as a starting point for the understanding of the physics involved within the landslides. The hypothesis of Saint-Venant equations are considered valid for modeling these land movements. Taking advantage of this approach, in this thesis approximate augmented Riemann solvers are formulated providing appropriate numerical schemes for mathematical models of granular flow on irregular steep slopes. Fluxes and source terms are discretized to ensure steady state configurations including correct modeling of start/stop flow conditions, both in a global and a local system of coordinates. The weak solutions presented involve the effect of bed slope in pressure distribution and frictional effects by means of the adequate gravity acceleration components. The numerical solvers proposed are first tested against 1D cases with exact solution and then are compared with 2D experimental data in order to check the suitability of the mathematical models described in this thesis. Comparisons between results provided when using global and local system of coordinates are presented. Both the global and the local system of coordinates can be used to predict faithfully the overall behavior of the landslides. The performance of the numerical scheme has been studied using novel experimental situations. These laboratory works include bidimensional configurations, the inclusion of obstacles in the flow path and a variable slope in the domain. Hence, a further step in mimicking realistic situations is obtained, since the behavior of the granular flow is affected by the presence of natural elements such as boulders or trees. Three situations have been considered. The first experiment is based on a single obstacle, the second one is performed against multiple obstacles and the third one study the influence of a dike when an overtopping situation takes place. Due to the impact of the flow against the obstacles, fast moving shocks appear, and a variety of secondary waves emerge. Comparisons between computed and experimental data are presented for the three cases. The computed results show that the numerical tool previously developed is able to predict faithfully the overall behavior of this type of complex dense granular flow

Esport, estil de vida actiu i població: consideracions a través del judo

A partir d’unes interessants reflexions sobre el problema del sedentarisme a la nostra societat, aquest article aborda el paper de l’educació física i l’esport com a mitjà per pal·liar les conseqüències que es desprenen, en l’àmbit de salut publica, de la falta d’activitat física. El concepte d’esport ha d’evolucionar i transformar-se, per tal de poder adaptar-se a les necessitats que la població li demana, pel que fa a accessibilitat i motivació i, alhora, ha d’ajustar-se als paràmetres que se sol·liciten a l’exercici físic, des del punt de vista de la salut. En aquesta línia, es presenta una reflexió sobre com s’hauria de transformar el judo per presentar-se com una activitat atractiva i motivant, que s’ajusti a les directrius marcades pel concepte d’activitat física saludable. A més a més, es ressalta que ja en el seu origen, el judo sorgeix més que com un esport, com una pràctica corporal que va molt més enllà de la mera especulació sobre els resultats

Accurate simulation of shallow flows using arbitrary order ADER schemes and overcoming numerical shockwave anomalies

En la actualidad, gracias al desarrollo de algoritmos de simulación avanzados y de tecnologías computacionales eficientes que ha tenido lugar durante las últimas décadas, es posible simular problemas de elevada complejidad que hace unos años eran inalcanzables. Parte de estos problemas se modelan mediente ecuaciones en derivadas parciales de tipo hiperbólico. Este tipo de ecuaciones reproducen con fidelidad aquellos fenómenos que involucran la propagación de ondas. En situaciones realistas, es necesario tener en cuenta efectos dinámicos adicionales más allá de los fenómenos puramente convectivos. Dichos efectos se modelan matemáticamente mediante los llamados términos fuente, que dan lugar a sistemas de ecuaciones no homogéneos y suponen un desafío computacional importante en numerosas ocasiones. Sólo unas determinadas discretizaciones del término fuente garantizan la convergencia de la solución a una solución físicamente realista; cuando se utilizan métodos numéricos sofisticados, la complejidad en el tratamiento de los términos fuentes aumenta de forma notable.Esta tesis se centra en el desarrollo de esquemas numéricos de orden arbitrario para la resolución de sistemas hiperbólicos siguiendo la metodología ADER, que permite la extensión del esquema tradicional de Godunov a orden arbitrario. Los métodos que aquí se presentan están enfocados a la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas, pero se formulan de forma general para su posible aplicación a otros modelos matemáticos. La particularidad fundamental de los esquemas numéricos propuestos en esta tesis reside en la manera en la que se introducen los términos fuente en la formulación discreta. A diferencia de la mayoría de métodos comunmente utilizados, aquí se propone introducir los términos fuente en la formulación de los flujos numéricos, siguiendo una metodología de discretización upwind. Esto implica considerar los términos fuente en la formulación del problema de Riemann derivativo. De este modo, es posible garantizar un equilibrio perfecto entre flujos y términos fuente a nivel discreto y reproducir con precisión aquellas situaciones de equilibrio relevantes para los problemas estudiados. Para las ecuaciones de aguas poco profundas, aquellos esquemas que satisfacen esta propiedad se denominaron tradicionalmente well-balanced, aunque dicha atribución sólo hacía referencia a la preservación de estados de reposo estático.Se muestra que sólo aquellos términos fuentes de tipo geométrico (por ejemplo, término de variación de fondo en las ecuaciones de aguas poco profundas) se deben incluir en la resolución del problema de Riemann derivativo. Otros términos fuente de distinta naturaleza se pueden integrar de forma tradicional utilizando reglas de cuadratura, o bien, se pueden reescribir como términos geométricos y pueden ser tratados del mismo modo. Siguiendo esta última aproximación, es posible garantizar la propiedad well-balanced sin perder el orden de convergencia arbitrario. Aquí se detalla la construcción de esquemas numéricos de orden arbitrario para las ecuaciones de aguas poco profundas con términos fuente de fondo, fricción y Coriolis, que satisfacen la propiedad well-balanced. Además, mediante consideraciones de conservación de energía a nivel discreto, dicha propiedad se extiende para situaciones de equilibrio unidimensionales que involucran velocidades no nulas, desde una perspectiva de un esquema ADER.Por último, en este trabajo también se estudian anomalías numéricas que pueden aparecer en la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas. Dichas anomalías son intrínsecas al método de volúmenes finitos y pueden dar lugar a oscilaciones severas de la solución numérica. Siguiendo estudios previos sobre anomalías numéricas en las ecuaciones de Euler, se formula un marco teórico para el estudio de dichas anomalías en las ecuaciones de aguas poco profundas. Se muestra que la presencia de resaltos hidráulicos genera oscilaciones numéricas en el caudal y se propone una corrección del flujo que lo solventa.<br /

The Role of Space Weather in Forming Water from the Potential Lunar Regolith Simulant Rhyolite

The potential role of the solar wind and space weathering in the formation of water on a lunar surface has been studied by deuteron ion implantation followed by electron bombardment on a silica rich glass surrogate, rhyolite. The electron bombardment stimulates chemistry and leads to water formation and ion desorption. The latter process, electron stimulated desorption (ESD) probes the role of electrons from the solar wind in both producing and desorbing ionic and neutral products. Prolonged electron excitation of deuteron dosed rhyolite samples induces defects on the sample, opening paths for diffusion of molecules to the surface. These experiments lead to the conclusion that solar wind in conjunction with electron bombardment of the lunar soil can generate water and other volatile products such as molecular hydrogen. These processes should be considered when modeling the lunar hydrogen and water pathways or cycles.M.S