Numerical coupling of 0D and 1D models in networks of vessels including transonic flow conditions. Application to short-term transient and stationary hemodynamic simulation of postural changes

When modeling complex fluid networks using one‐dimensional (1D) approaches, boundary conditions can be imposed using zero‐dimensional (0D) models. An application case is the modeling of the entire human circulation using closed‐loop models. These models can be considered as a tool to investigate short‐term transient and stationary hemodynamic responses to postural changes. The first shortcoming of existing 1D modeling methods in simulating these sudden maneuvers is their inability to deal with rapid variations in flow conditions, as they are limited to the subsonic case. On the other hand, numerical modeling of 0D models representing microvascular beds, venous valves or heart chambers is also currently modeled assuming subsonic flow conditions in 1D connecting vessels, failing when transonic and supersonic flow conditions appear. Therefore, if numerical simulation of sudden maneuvers is a goal in closed‐loop models, it is necessary to reformulate the current methodologies used when coupling 0D and 1D models, allowing the correct handling of flow evolution for both subsonic and transonic conditions. This work focuses on the extension of the general methodology for the Junction Riemann Problem (JRP) when coupling 0D and 1D models. As an example of application, the short‐term transient response to head‐up tilt (HUT) from supine to upright position of a closed‐loop model is shown, demonstrating the potential, capability and necessity of the presented numerical models when dealing with sudden maneuvers

La ejecución de infraestructuras en el medio rural

La preocupación del hombre por cuidar sus intervenciones en el medio natural es relativamente reciente y proviene de esa relación del hombre con la naturaleza que supone el hecho de construir y de la generación del lugar. La creciente conciencia social y el convencimiento de la necesidad de conservar el equilibrio natural como forma de proteger la biodiversidad y conservar el espacio, ha mediatizado las intervenciones en el medio natural, provocando inseguridades y dudas que se reflejan en lo allí construido. La solución habitual ha sido "no hacer" o "hacer lo mínimo", apoyándose en lo ya existente. Se propone valorar el paisaje como un recurso natural más del espacio, afectado por las intervenciones de carácter antrópico que se producen sobre el mismo. Esta propuesta pretende reflexionar la forma de actuar en los espacios físicos para su adecuación a las necesidades planteadas, con el objetivo de su utilización y disfrute

Performance assessment of Finite Volume methods in transient simulations of hydraulic processes

En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo numérico para simulaciones hidráulicas/hidrológicas. Se considera el acoplamiento de flujos superficiales y subterráneos, poniendo una atención especial a la interacción entre ambos. El flujo superficial está formulado mediante las ecuaciones de aguas poco profundas en 2D, así como el modelo Cero-Inercia en 2D e incluye componentes hidrológicas como lluvia o infiltración. Ambos modelos son discretizados usando un esquema híbrido implícito-explícito en volúmenes finitos. Así mismo, se realiza una comparación exhaustiva entre ambas discretizaciones temporales en términos de precisión y eficiencia en varias aplicaciones tanto sintéticas como reales. La eficiencia del esquema implícito es evaluada en cada caso test con el propósito de su consideración como posible estrategia de aceleración del cálculo para ciertas situaciones. Cuando se consideran simulaciones en las que interviene la transformación de lluvia en escorrentía, tiene especial relevancia la correcta estimación de las pérdidas de agua por infiltración. Con el propósito de mejorar el actual modelo de infiltración deGreen-Ampt, en este trabajo se propone la aplicación de una nueva técnica basada en el cálculo fraccionario, que da lugar a mejoras considerables en los resultados numéricos. Por otro lado, se presentan dos modelos de flujo en el subsuelo: 1) Un modelo 2D de flujo subterráneo en medios porosos basado en la ley de Darcy y la aproximación de Dupuit. El acoplamiento entre la superficie y el subsuelo tiene lugar en la frontera que conecta el nivel freático con la superficie del suelo, lo que da lugar a los procesos de infiltración y exfiltración. 2) Un modelo de drenaje basado en las ecuaciones 1D de aguas poco profundas capaz de simular flujos transitorios en una tubería que pueden llegar a presurizarse localmente. La presurización de la tubería se estima mediante el método de la rendija de Preissmann. En este caso, el acoplamiento con la superficie tiene lugar en localizaciones puntuales como sumideros o alcantarillas, donde se calcula el flujo de intercambio entre modelos. Ambos modelos subsuperficiales son validados de forma independiente mediante varios casos test con solución analítica o datos experimentales. En general, los casos test sintéticos, con solución analítica o datos experimentales presentados en esta tesis ponen de manifiesto la gran aplicabilidad de cada sub-modelo de forma particular y de ambos modelos acoplados. In this thesis, the development of a hydraulic/hydrological numerical simulation model is presented. It considers the coupling of surface-subsurface flows, paying special attention to the interactions among submodels. The surface flow is formulated by means of 2D Shallow Water flow equations and 2D Zero-Inertia flow model and includes hydrological components as rainfall or infiltration. Both models are discretized using a hybrid implicit-explicit finite volume scheme and a full comparison is carried out in terms of accuracy and efficiency in several synthetic and real world applications. The efficiency of the implicit scheme is evaluated in every test case in order to emphasize it as a feasible acceleration technique for certain situations. When rainfall-runoff simulations are considered, a correct estimation of the infiltration water losses is of crucial relevance. With the aim of improving the Green-Ampt infiltration model, a novel technique based on the fractional calculus is combined with the surface flow models, leading to promising improvements in the numerical results. On the other hand, two subsurface submodels are presented in this work: 1) A 2D vertical-averaged groundwater flow model based on Darcy's law and Dupuit approximation. The coupling between surface and groundwater flows takes place in the border connecting the phreatic level with the soil surface, leading to infiltration/exfiltration processes. 2) A drainage model based on 1D Shallow Water equations capable of simulating transient flows in a pipe which can be locally pressurized. The pipe pressurization is estimated by means of the Preissmann slot method. In this case, the coupling with the surface occurs at local points such as manholes, where the exchange surface-sewer flux is calculated. Both subsurface submodels are tested and validated independently with several analytical and experimental cases. Overall, the synthetic, analytical and experimental test cases presented in this thesis point out the good applicability of each submodel and of both coupled models.<br /

Efficient explicit finite volume schemes for the shallow water equations with solute transport

This work is concerned with the design and the implementation of efficient and novel numerical techniques in the context of the shallow water equations with solute transport, capable to improve the numerical results achieved by existing explicit approaches. When dealing with realistic applications in Hydraulic Engineering, a compromise between accuracy and computational time is usually required to simulate large temporal and spatial scales in a reasonable time. With the aim to improve the existent numerical methods in such a way to increase accuracy and reduce computational time. Three main contributions are envisaged in this work: a pressure-based source term discretization for the 1D shallow water equations, the analysis and development of a Large Time Step explicit scheme for the 1D and 2D shallow water equations with source terms and the numerical coupling between the 1D and the 2D shallow water equations in a 1D-2D coupled model. The first improvement roughly consists of exploring the pressure and bed slope source terms that appear in the 1D and 2D shallow water equations to discretize them in an intelligent way to avoid extremely reductions in the time step size. On the other hand, the implementation of a Large Time Step scheme is carried out. In order to relax the stability condition associated to explicit schemes and to allow large time step sizes, reducing consequently the numerical diffusion associated to the original explicit scheme. Finally, two 1D-2D coupled models are developed. They are demonstrated to be fully conservative and are able to approximate well the results obtained by a fully 2D model in terms of accuracy, while the computational effort is clearly reduced. All the advances are analysed by means of different test cases, including not only academic configurations but also realistic applications, in which the numerical results achieved by the new numerical techniques proposed in this work are compared with the conventional approaches

Efficient Simulation Tools (EST) for sediment transport in geomorphological shallow flows

Entre los fenómenos superficiales geofísicos y medioambientales, los flujos rápidos de mezclas de agua y sedimentos son probablemente los más exigentes y desconocidos de los procesos movidos por gravedad. El transporte de sedimentos es ubicuo en los cuerpos de agua naturales, como ríos, crecidas, costas o estuarios, además de ser el principal proceso en deslizamientos, flujos de detritos y coladas barro. En este tipo de flujos, el material fluidificado en movimiento consiste en una mezcla de agua y múltiples fases sólidas, que pueden ser de distinta naturaleza como diferentes clases de sedimento, materiales orgánicos, solutos químicos o metales pesados en lodos mineros. El modelado del transporte de sedimentos involucra una alta complejidad debido a las propiedades variables de la mezcla agua-sólidos, el acoplamiento de procesos físicos y la presencia de fenómenos multicapa. Los modelos matemáticos bidimensionales promediados en la vertical ('shallow-type') se construyen en el contexto de flujos superficiales y son aplicables a un amplio rango de estos procesos geofísicos que involucran transporte de sedimentos. Su resolución numérica en el marco de los métodos de Volúmenes Finitos (VF) está controlada por el conjunto de ecuaciones escogido, las propiedades dinámicas del sistema, el acoplamiento entre las variables del flujo y la malla computacional seleccionada. Además, la estimación de los términos fuente de masa y momento puede también afectar la robustez y precisión de la solución. La complejidad de la resolución numérica y el coste computacional de simulación crecen considerablemente con el número de ecuaciones involucradas. Además, la mayor parte de estos flujos son altamente transitorios y ocurren en terrenos irregulares con altas pendientes, requiriendo el uso de una discretización espacial no-estructurada refinada para capturar la complejidad del terreno e incrementando exponencialmente el tiempo computacional. Por tanto, el esfuerzo computacional es uno de los grandes retos para la aplicación de modelos promediados 2D en flujos realistas con grandes escalas espaciales y largas duraciones de evento. En esta tesis, modelos matemáticos superficiales 2D apropiados, algoritmos numéricos de VF robustos y precisos, y códigos eficientes de computación de alto rendimiento son combinados para desarrollar Herramientas Eficientes de Simulación (HES) para procesos medioambientales superficiales involucrando transporte de sedimentos con escalas temporales y espaciales realistas. Nuevas HES capaces de trabajar en mallas estructuradas y no-estructuradas son propuestas para el flujos de lodo/detritos con densidad variable, transporte pasivo en suspensión y transporte de fondo generalizado. Una atención especial es puesta en el acoplamiento entre las variables del sistema y en la integración de los términos fuente de masa y momento. Las propiedades de cada HES han sido cuidadosamente analizadas y sus capacidades demostradas usando tests de validación analíticos y experimentales, así como mediciones en eventos reales.Among the geophysical and environmental surface phenomena, rapid flows of water and sediment mixtures are probably the most challenging and unknown gravity-driven processes. Sediment transport is ubiquitous in environmental water bodies such as rivers, floods, coasts and estuaries, but also is the main process in wet landslides, debris flows and muddy slurries. In this kind of flows, the fluidized material in motion consists of a mixture of water and multiple solid phases which might be of different nature, such as different sediment size-classes, organic materials, chemical solutes or heavy metals in mine tailings. Modeling sediment transport involves an increasing complexity due to the variable bulk properties in the sediment-water mixture, the coupling of physical processes and the presence of multiple layers phenomena. Two-dimensional shallow-type mathematical models are built in the context of free surface flows and are applicable to a large number of these geophysical surface processes involving sediment transport. Their numerical solution in the Finite Volume (FV) framework is governed by the particular set of equations chosen, by the dynamical properties of the system, by the coupling between flow variables and by the computational grid choice. Moreover, the estimation of the mass and momentum source terms can also affect the robustness and accuracy of the solution. The complexity of the numerical resolution and the computational cost of simulation tools increase considerably with the number of equations involved. Furthermore, most of these highly unsteady flows usually occur along very steep and irregular terrains which require to use a refined non-structured spatial discretization in order to capture the terrain complexity, increasing exponentially the computational times. So that, the computational effort required is one of the biggest challenges for the application of depth-averaged 2D models to realistic large-scale long-term flows. Throughout this thesis, proper 2D shallow-type mathematical models, robust and accurate FV numerical algorithms and efficient high-performance computational codes are combined to develop Efficient Simulation Tools (EST's) for environmental surface processes involving sediment transport with realistic temporal and spatial scales. New EST's able to deal with structured and unstructured meshes are proposed for variable-density mud/debris flows, passive suspended transport and generalized bedload transport. Special attention is paid to the coupling between system variables and to the integration of mass and momentum source terms. The features of each EST have been carefully analyzed and their capabilities have been demonstrated using analytical and experimental benchmark tests, as well as observations in real events.<br /

Construir en Espacios Protegidos

La preocupación del hombre por cuidar sus intervenciones en el medio natural, desde un punto de vista visual, paisajístico, es relativamente reciente y proviene de esa relación esencial del hombre con la naturaleza que supone el hecho de construir, y de su directa consecuencia: la generación del lugar. El cambio cualitativo de la configuración del espacio y del carácter del territorio va a provocar significados, emociones y sentimientos que, cuando por la evolución y progreso de la humanidad se han despersonalizado y perdido su conexión con el medio natural, han alimentado una profunda inquietud de la sociedad que se ha sentido huérfana y desarraigada. La creciente conciencia social y el inequívoco convencimiento sobre la necesidad de conservar el equilibrio natural de estas fuerzas, como mejor forma de proteger la biodiversidad y conservar el espacio como escenario en el que se desarrollan, han mediatizado las intervenciones en el medio natural, provocando inseguridades y dudas que se reflejan en lo allí construido. La solución habitualmente ha sido ?no hacer? o ?hacer lo mínimo?, apoyándose siempre en lo ya existente, no desde el convencimiento de que fuera ésta la mejor solución, sino con la coartada de que la memoria ha incorporado lo ya existente a nuestra idea del lugar. La discusión que se propone se basa en la valoración del paisaje como un recurso natural más del espacio, recurso inevitablemente afectado por las continuas intervenciones de carácter antrópico que se producen sobre el mismo; no obstante, su consideración como recurso natural o como aspecto principal del espacio protegido es algo secundario, aceptado el hecho de su indiscutible valor

¿Nuevos discursos y nuevas prácticas en la cooperación al desarrollo? Análisis crítico de la Planeación con Sujeto de UCIRed, México

La Planeación con Sujeto (PS) surge desde la Universidad Campesina e Indígena en Red (UCIRed) como una propuesta metodológica alternativa vinculada a aquellas prácticas contestatarias al desarrollo , dentro de las posturas críticas que han consolidado al continente latinoamericano como un laboratorio de experiencias distintas y alternativas a la hegemonía del neoliberalismo. Su relevancia radica en la configuración como espacio de reflexión y de implicación para establecer otros modos de relación entre las y los sujetos y otras formas de producir conocimiento que no sean las predominantes del desarrollo. Pretendemos realizar una aproximación a la metodología de la PS a la luz de estas perspectivas y prácticas alternativas apuntando algunos caminos de reflexión y de debate. Para ello, los objetivos que guían este trabajo de investigación son: • Analizar el discurso de la PS de UCIRed respecto a las relaciones entre las y los sujetos y los conocimientos que impulsa en el trabajo comunitario. • Examinar, a partir de este análisis, los modos en los que se alinean el discurso y la práctica de la PS y las tensiones generadas en la articulación entre teoría y praxis.Pilar García Navarro (2016). ¿Nuevos discursos y nuevas prácticas en la cooperación al desarrollo? Análisis crítico de la Planeación con Sujeto de UCIRed, México. http://hdl.handle.net/10251/9473

The entropy fix in augmented Riemann solvers in presence of source terms: Application to the Shallow Water Equations

Extensions to the Roe and HLL method have been previously formulated in order to solve the Shallow Water equations in the presence of source terms. These were named the Augmented Roe (ARoe) method and the HLLS method, respectively. This paper continues developing these formulations by examining how entropy corrections can be appropriately fitted in for the ARoe method and how the HLLS method can be formulated more generally. This is done in two ways. Firstly, this paper extends the reasoning of Harten and Hyman required by the ARoe method to include the source term contributions and thus arrives to a more complete formulation of the entropy fix, which will be compared with the approximation presented in previous works through numerical experiments. Secondly, it is shown how a relaxation of the criteria used when choosing waves in the HLLS method yields better solutions to problems where the HLLS would previously fail. In summary, this paper seeks to offer a comprehensible review of the ARoe and HLLS methods while improving its performance in cases with transcritical rarefactions for the inhomogeneous Shallow Water Equations in one dimension

Turismo rural y Covid-19 en la comunidad autónoma de Andalucía

El siguiente trabajo de fin de grado se va a centrar en el estudio del impacto de la pandemia en la sociedad a la hora de elegir un tipo de turismo rural en la comunidad autónoma andaluza. Para ello, se ha realizado una investigación, donde hemos añadido información sobre los orígenes y la actual actividad turística rural de la zona de estudio. Por otra parte, se ha comparado la evolución de las motivaciones de los turistas antes y después de que la variante SARS-CoV-2 se incorporara a nuestro estilo de vida. Y para ello, se han planteado una serie de hipótesis de las que se ha elaborado un cuestionario para su investigación además de la evaluación de los resultados para la comprobación de las hipótesis y los objetivos del presente proyect

Numerical simulation of one-dimensional transient vertical flow in variably saturated soils

Water flow in variably saturated (saturated/unsaturated) soils is commonly modeled by means of Richards' equation. This equation has no general analytical solution and the use of numerical approximations is necessary. It can be presented in three physically equivalent forms which are based on different variables and show different mathematical properties. In this work, these forms are derived from the general mathematical model and analyzed from a numerical perspective in order to understand the interactions between the differential equations and the numerical methods required in each case. The goals of this work are, on the one hand, to describe the physical and mathematical reasoning which leads to the formulation of the general mathemati- cal model of flow in porous media, the discussion of the concepts and assumptions which allow to develop Richards' equation, and on the other hand, to establish the properties and limitations of several numerical schemes to approximate the solutions of flows in variably saturated soils. The approach for the mathematical model is to average a microscopic, single- phase flow equation into a macroscopic scale which allows to describe porous media in a practical way, and to consider the necessary assumptions to state Richards' equation as a particular flow case. The porous media constitutive model completes the mathematical model. In this work the Mualem-van Genuchten model and some variants are included. For the numerical model, several schemes are developed for the 1D Richards' equation in the vertical direction. Explicit and implicit centered finite difference schemes are used in this work. The key numerical aspects of interest are those of mass conservation, stability and efficiency. Another key aspect, which is not only numerical is that of continuity from unsaturated into saturated regimes. The constitutive models affect the numerical schemes and some issues arise because of the high non-linearity of the functions, in particular the hydraulic conductivity function. Appropriate discretization of hydraulic conductivity for estimation of flux between numerical cells is a sensible issue wich has been studied by many authors and is treated in this work. All of these issues are analyzed individually and as interrelated problems in the schemes. Validation and test cases are presented and the response of the model to different problems and parameters is examined. From them, it is concluded that the explicit and the implicit schemes based on the mixed form of Richards' equation are better suited for unsaturated problems. For variably saturated problems, the implicit scheme based on the mixed form is the best choice, since the explicit model cannot solve saturation conditions. Conditional stability of the explicit model affects negatively its performance in certain cases, which also leads to the conclusion that the implicit scheme is more efficient and realiable