Tesis doctorales y Tesinas
Permanent URI for this communityhttps://hdl.handle.net/10171/7145
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- Quantification of dosimetric uncertainties in lung stereotactic body radiation therapy(Universidad de Navarra, 2023-01-23) Huesa-Berral, C. (Carlos); Burguete-Mas, F.J. (Francisco Javier); Azcona-Armendariz, J.D. (Juan Diego)Lung stereotactic body radiation therapy (SBRT) is associated with sources of geometric uncertainties, such as respiratory motion, daily anatomical variations (anatomical baseline shifts between daily and planned position) and the simultaneous movement between the tumor and the multileaf collimator (the so-called interplay effect) during treatment delivery. In this work, several methodologies have been implemented based on deformable image registration to quantify the dosimetric impact of those geometric uncertainties in lung SBRT. These methodologies revealed two main conclusions: First, daily anatomical deviations in patient anatomy generally had a larger dosimetric impact than respiratory motion. Second, the impact of interplay effect could be a concern for highly irregular patient breathing patterns or for long breathing periods, and whether small field size were used for dose conformation purposes. Furthermore, these methodologies developed would be very helpful for clinicians involved in treatment planning and delivery to evaluate treatment robustness against the geometric uncertainties studied in this work.
- Particle flows in silos, significance of particle shape, stiffness and friction(Universidad de Navarra, 2023-01-13) Pongó, T. (Tivadar); Cruz-Hidalgo, R. (Raúl)Granular flows are frequently observed in nature and appear in many industrial processes as well. In this numerical work the focus is mainly directed at the understanding of how the change of different grain properties, such as shape, friction and stiffness, influences the flow out of a silo. However, the heating dynamics of a granular gas of rods is also analyzed. In all these scenarios, the simulations are paired with experiments to calibrate and validate the results. The numerical analysis indicated that the discharge of soft, low-friction grains from a container exhibits a height-dependent flow rate, which is not usual for granular media. The systematic study mapped the parameter space of particle friction and stiffness, exploring the system’s macroscopic response in detail. Moreover, the examination of the coarse-graining fields helped us to explain when and why the flow rate depends on the column height. The answers include the material response to pressure gradients, but also the way stress is transmitted in the system. The outcomes allowed us to propose simple theoretical arguments, connecting the macroscopic flow rate with the pressure gradient at the orifice. As a result, we have come up with a well-reasoned explanation for the height-dependent discharge flow rate, shown experimentally and numerically by soft low-frictional grains. Our numerical investigation of a 2D silo flow of mixtures of soft and hard grains reproduced the high impact that even 5% of hard frictional grains have on the flow of an ensemble of low-friction, soft particles. Numerical results signaled the importance of the friction between the two types of grains. When the frictional hard grains are added to the soft grains, the flow gets slower, clogging becomes more frequent, and the force measured on the bottom plate decreases. Moreover, we obtained that these effects are enhanced when the interspecies friction is increased. The introduction of a rotational shear through the rotation of the flat silo bottom leads to a surprising effect on the discharge of rods: the flow rate is reduced significantly, by up to 70%. Our simulations and the application of the coarse-graining methods reveal the underlying reasons for this observation. The exit velocity of particles is the main contributing factor to this drop, which is in correlation with the vertical orientation of the grains. Our numerical tool allowed the exploration of the dependence of flow rate 𝑄 on the orifice size 𝐷. In the limit of large orifices, the classical power-law correlation 𝑄 ∼ 𝐷5/2 was reproduced. For small apertures, however, we obtained a power-law relation but with a notably larger exponent. Furthermore, the size of the so-called free fall arch region is also found to decrease due to the rotation. Finally, granular gas made up of rods and heated by the walls has been studied numerically. Our study provides additional insight into the process for instance by describing the system behavior in the non-symmetrically heated direction, which was not accessible experimentally. The velocity distributions of the particles are examined and found to be well-fitted by stretched exponential distributions, in agreement with previous experiments. Moreover, in the experimentally not accessible direction, we obtained asymmetrical distribution tails. Additionally, the collapsing of the velocity distributions lead us to conclude that the energy scales with the square of the characteristic velocity of the wall.
- Dinámica de desatasco de un silo granular vibrado(Universidad de Navarra, 2021-08-20) Guerrero-Borges, B. V. (Bruno Valdemar); Montero, Á. (Ángel)En esta memoria se presenta un estudio experimental de un sistema granular, con el que se investiga el fenómeno de desatasco inducido por vibraciones de baja intensidad: un silo de salida angosta que puede ser vibrado globalmente. Nuestro silo es un contenedor rectangular (en el que los granos forman una monocapa vertical), con una abertura central en su base, que apenas supera en pocas unidades al diámetro de las partículas. Un silo con estas características es propenso a sufrir atascos durante la descarga, por la formación de arcos que obstruyen la salida e interrumpen el flujo. Para dilucidar la sensibilidad de estos arcos ante una vibración vertical constante (por debajo del límite de fluidización), se analizó la resistencia y morfología de los arcos. La estabilidad de los arcos se determina mediante el análisis de supervivencia de los tiempos de ruptura. La morfología se caracteriza en términos de dos variables, relacionadas con el ángulo entre esferas consecutivas. En particular, se encontró que la desviación estándar de estos ángulos es una variable escalar que captura la evolución morfológica del arco. El análisis de las configuraciones inicial y final confirma que los arcos más irregulares tienden a ser más inestables. Sin embargo, el estado inicial no dictamina la resistencia y evolución de un arco particular. El arco sigue un movimiento irregular, tipo stick-slip, a lo largo del tiempo: deformaciones plásticas repentinas y aperiódicas, intercaladas por periodos de inactividad. De esta manera, el arco explora distintas estructuras, hasta que supera un umbral de estabilidad (que no depende de la intensidad de vibración) y se produce la ruptura. Los resultados ponen de manifiesto que la dinámica observada es la misma tanto para los arcos que se rompen como para aquellos que no y que las configuraciones se exploran de forma casual. La evolución observada puede ser racionalizada en términos de una descripción estocástica, y modelada como un caminante aleatorio de tiempo continuo. Estudiando la difusividad de 𝜎, se comprueba la relajación lenta y el envejecimiento inherente al fenómeno de desatasco. Por último, se demuestra la ruptura de ergodicidad en la dinámica, la cual ocurre de igual forma tanto para los arcos se rompen como para aquellos que resisten la vibración.
- Flow and clogging in a granular silo discharged with a conveyor belt(2020-03-18) Gella, D. (Diego); Zuriguel-Ballaz, I. (Iker)El flujo de medios granulares en la descarga de silos es un problema ampliamente estudiado desde hace años debido a sus aplicaciones en la industria o la agricultura. Recientemente, el estudio de los atascos, que dan lugar a la detención del flujo como consecuencia de la formación de arcos encima del orificio, ha recibido también la atención de la comunidad científica. A lo largo de los años, los dos problemas se han investigado en silos en los que el material es descargado únicamente por medio de la gravedad, régimen que llamamos descarga libre . En ese caso, la velocidad de las partículas está determinada por el tamaño del agujero de salida. Con el objetivo de investigar el efecto de ambas variables por separado, se ha utilizado una cinta transportadora que descarga el material, permitiendo controlar la velocidad de las partículas de forma independiente al tamaño de agujero. La caracterización del flujo se ha determinado a partir del análisis de grabaciones en alta velocidad de las descargas en la zona del orificio. Variando el tamaño de agujero y la velocidad de extracción de la cinta, los patrones de flujo en el agujero se han comparado con el régimen de descarga libre. De hecho, inicialmente, las dependencias del flujo y de los perfiles de densidad y velocidad con el tamaño de agujero para el caso de la descarga libre, jan sido interpretados a la luz de las expresiones propuestas recientemente. En los experimentos con la cinta se observa un comportamiento diferente, caracterizado por i) un incremento y posterior saturación de la velocidad de las partículas con la velocidad de la cinta; y ii) una reducción de la velocidad de las partículas con el tamaño de agujero si la velocidad de la cinta se mantiene constante. Estas dependencias se explican por medio de un modelo basado en la conservación de la masa. Además, tanto los valores del flujo como los de las velocidades de las partículas se han relacionado con la dinámica que se observa en el interior del silo, gracias al análisis de la micromecánica. Asimismo, la introducción de la cinta ocasiona un movimiento intermitente de las partículas que es especialmente visible para velocidades de extracción bajas. Este comportamiento se ha estudiado por medio del análisis multifractal de una señal temporal que caracteriza la velocidad de las partículas en cada momento, y también a partir de la correlación espacial entre las velocidades de las partículas. De esta manera se han encontrado cuatro tipos de flujo diferentes dependiendo de la velocidad de la cinta y del tamaño de agujero. Finalmente, el fenómeno de atasco se ha estudiado a partir del análisis de los tamaños de avalanchas definidos como el número de granos que salen del silo desde que se rompe un atasco hasta que se forma el siguiente. El protocolo de medida está automatizado y consiste en la sincronización de la cinta y otros dispositivos encargados de detectar los arcos, romperlos y registrar la masa de las avalanchas. A partir de las distribuciones de los tamaños de avalancha, se han calculado las probabilidades de atasco para tres agujeros distintos y varias velocidades de la cinta. Como resultado, se ha observado una fuerte influencia de la cinemática en el proceso de atasco: en el mejor de los casos, se ha obtenido un cambio en la probabilidad de atasco de alrededor de dos órdenes de magnitud al cambiar la velocidad de la cinta. Este comportamiento se ha explicado usando nuevas ecuaciones, que están inspiradas en otras que ya se utilizan para describir los atascos en la descarga libre. Estas expresiones incluyen solamente dos parámetros: uno geométrico, que determina la probabilidad de atasco cuando la velocidad de las partículas es mínima, y otro que recoge la influencia de la velocidad de las partículas. Con esto se logra describir separadamente los efectos geométrico y cinemático en el proceso de atasco.
- El estatuto epistemológico de la transmisión de la acción: un estudio desde Mary Hesse ‘Forces and Fields’(2018-01-30) Bujalance, L. (Laura); Cobreros-Bordenave, P. (Pablo)La presente tesis consta de tres partes que se corresponden con los tres aspectos de la obra de Hesse que se proponen para su revisión: su teoría de los modelos, el contexto filosófico que determinó sus propuestas y las conclusiones a las que llega a partir del estudio de los casos históricos. A estas tres partes les antecederá un análisis en profundidad de la obra de Mary Hesse. De este modo, este estudio se compondrá de 4 capítulos. En los dos primeros capítulos se analizará la obra de Mary Hesse Forces and Fields. Este análisis presentará la intención de la obra, el contexto en el que se realizó y las conclusiones a las que la autora llega. Para ello, se prestará una especial atención, en el capítulo segundo, a la teoría de los modelos que Mary Hesse presenta de manera explícita en su obra. El capítulo tercero se corresponde con una revisión del marco conceptual de la obra de Mary Hesse y con la exposición de la evolución que ha sufrido dicho marco hasta el momento actual. El capítulo cuarto se centra en la historia de la ciencia del siglo XIX.Por último en la conclusión se expondrá que, tanto la dependencia de Hesse de la tradición semántica de las explicaciones científicas, como su ambigüedad en el uso de los modelos fundamentales en relación con los modos de acción, son los dos motivos que llevan a la autora a prescindir tanto en la ciencia como en la filosofía de la ciencia de los modos de acción como objeto propio.
- Slowly variable magnetic field effects in conducting fluids(2007-06-22) Cortés-Dominguez, I. (Iván); Burguete-Mas, F.J. (Francisco Javier)La dinámica de fluidos ha sido estudiada durante décadas como un mecanismo fundamental en muchos procesos físicos y son muchos los experimentos que han sido analizados. El objetivo de esta tesis doctoral es estudiar y analizar inestabilidades en dos sistemas completamente independientes: por un lado, los efectos de campos magnéticos débiles en capas de metales líquidos. Por otro lado, los efectos de la prueba de imagen por resonancia magnética (MRI) en el oído interno. Si estos son dos problemas independientes, (cada uno con su valor científico particular), ¿por qué estudiarlos conjuntamente? Ambos montajes experimentales están forzados por el mismo mecanismo, las fuerzas magnetohidrodinámicas. Los efectos de campos magnéticos que evolucionan en el tiempo sobre capas de fluidos conductores han sido estudiados durante décadas. Por lo tanto, los procesos físicos que dominan estos problemas han sido bien definidos y estudiados. La geometría propuesta para este estudio puede ser considerada un modelo lo más ajustado posible a los conductos semicirculares del oído interno. Además, una correcta elección del campo magnético y de la conductividad eléctrica en ambos experimentos nos permite extrapolar los resultados obtenidos en el experimento de metal líquido al experimento con la resonancia magnética. Bajo esta idea, por tanto, estamos añadiendo una base física sólida al experimento con voluntarios de los efectos de la resonancia magnética en los voluntarios al estudio.
- Caracterización del caos e hipercaos en sistemas magnéticos clásicos(2017) Pérez-Fuentes, L. (Laura); Mancini-Maza, H. L. (Hector Luis)The aim of the present thesis is to study the dynamics of magnetic systems out of equilibrium. That is, systems where there is a competition between the injection and the dissipation of energy. In particular, the thesis focuses on classic magnetic systems where each magnetic element can be described by a mono-domain, such that the domain does not have spatial inhomogeneities. We study the case of one element (or particle) as well as the case of two interacting particles. The effects of the shape and composition are considered through the magnetic anisotropy energy. We will use homogeneous external fields and time dependent ones. The first two chapters of the thesis are focused on addressing the basic concepts of magnetism as the theoretical framework. Firstly, a brief history of magnetism is given and the types of magnetic materials are presented. Subsequently the equations that govern the dynamics of classical magnetic moments and their fundamental properties are introduced. The scenarios where the system has constants of motion are shown. In addition, a special case of one magnetic particle is studied when a homogeneous external magnetic field is applied. The third chapter deals with the dynamics of a particle with multiple axes of anisotropy in the presence of a time-dependent external field. Regular and chaotic phases are characterized using the Largest Lyapunov exponent within two-dimensional diagrams. Refining the resolution of the diagrams we found regular islands inside of chaotic regions with form of shrimps. In the fourth and fiKh chapters the dynamics of two coupled particles with uniaxial anisotropy is studied. First, the case of exchange interaction with homogeneous external magnetic field is analyzed. The laLer case focuses on dipolar interaction between the particles, such that they are in the presence of a time-dependent field. In both cases, two-dimensional phase diagrams of Lyapunov exponents are using to discriminate the regular phases respect to the chaotic (or hyperchao)c) ones. Furthermore, different types of synchroniza)on between the par)cles are measured. Finally, in the sixth chapter the conclusions and prospects are presented.
- Colloidal Phase Transition Dynamics(2016) Muhammad-Aslam, R. (Raheema); Gonzalez-Viñas, W. (Wenceslao)In this work, we present experimental observations on the colloidal phase transitions (from liquid phase to solid phase) involving evaporation at different time scales. Two experimental setups have been used: vertical deposition configuration (large duration and low evaporation) and spincoating (short duration and high evaporation) to carry out various research objectives. (a) We study patterns formation in vertical deposition of colloids on applying weak AC fields at various temperatures. Diluted suspension of negatively charged polystyrene particles of 1.3 µm in diameter suspended in ultra pure water are used to perform several experiments at different evaporation in external weak AC fields (0.8 V/mm to 1.2 V/mm and of frequency from 1 Hz to 3 Hz). At room temperature the application of AC field leads to the formation of one dimensional clusters array at the interface. The dynamical flows of the system during clusters formation in external AC fields have been studied by PIV analysis. Also, we demonstrate the effect of increasing initial particle concentration (0.5% to 1.1% (w/w)) on the clusters evolution. At higher temperature (63 ◦C) we obtain ordered columnar deposits of these colloidal suspensions in AC fields. We study the effect of field strengths on the behavior of columns formation. (b) We obtain polycrystals of mono-layer on photo-patterned substrates by spin-coating using concentrated colloidal suspension of 458 nm diameter silica spheres dispersed in ethanol 95% of 20% (V/V) concentration. We break the axial symmetry imposed by spin axis and eliminate the emerging OCP character (6– or 4–arms). The effect of scaling spacing of surface patterning on the different structures formation of the spin-coated deposits has been studied extensively. We analyze the different structures in depth with bond order parameters and with Minkowski structure metrics. Also, we investigate the influence of external magnetic fields on the flow dynamics of mixed colloidal particles suspension (carbonyl iron and silica particles of micrometer size) by spin-coating and to manipulate the magneto-rheology in terms of occupation factor of the resulting deposits. We develop a generalized model by modifying Cregan and O’Brien model [85] to measure the change in relative viscosity of the mixed colloids in magnetic fields.
- Análisis numérico experimental de flujos granulares controlados(2016-09) Rubio-Largo, S.M. (Sara María); Cruz-Hidalgo, R. (Raúl); Maza-Ozcoidi, D. (Diego)El objetivo de esta tesis doctoral se basa en describir numéricamente el comportamiento de sistemas granulares compuestos por partículas de diferente geometría, desde el caso esférico hasta otras formas m´as complejas. Se ha llevado a cabo la implementación de un algoritmo híbrido CPU-GPU del método de elementos discretos para el caso de medios granulares. Se han tenido en cuenta todos los grados de libertad presentes en el problema, incluyendo la implementación de un formalismo de quaterniones que permite modelar de forma eficiente las rotaciones en 3D. La interacción entre partículas se ha definido a partir de fuerzas de contacto constituidas por un término elástico y otro disipativo. La forma geométrica de las partículas juega un papel fundamental en la definición de la fuerza interacción entre dos granos. La implementación CPU-GPU incluye el modelado de partículas esféricas y no esféricas, tales como granos alargados o elipsoidales. Entre otras aplicaciones, este algoritmo ha permitido examinar flujos granulares de partículas esféricas, y se ha podido establecer la existencia de un estado de enfriamiento homogéneo para gases granulares constituidos por partículas no esféricas sin fricción. Por otro lado, observando muestras granulares fluyendo, se ha podido examinar tanto experimental como numéricamente las propiedades micro-mecánicas de ese flujo de partículas a través del orificio situado en la base de un silo. Este estudio ha permitido clarificar por qué, pese a las inconsistencias que supone, el tradicional concepto de arco de caída libre permite describir la forma funcional de la velocidad media de las partículas en las proximidades del orificio de salida.
- Extensions of topological abelian groups(2016-09) Bello-Gutierrez, H.J. (Hugo Jose); Domínguez, X. (X.); Chasco, M.J. (María Jesús)Esta tesis se centra en el estudio de los siguientes problemas: (a) Estudiar las propiedades de grupo Ext en la categor a de grupos topol ogicos abelianos. En particular, encontrar condiciones en las que Ext(G;H) = 0. (b) Encontrar maneras de describir las extensiones de la forma 0 --> H --> X --> G --> 0 usando las propiedades de G y H.