Física Aplicada III

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Análisis, modelado y caracterización de inductores de modo común para sistemas monofásicos y trifásicos
(2024-07-15) Ojeda Rodríguez, Álvaro; Bernal Méndez, Joaquín; Martín Prats, María de los Ángeles; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica
La tesis titulada "Análisis, modelado y caracterización de inductores de modo común para sistemas monofásicos y trifásicos" presenta una investigación centrada en el estudio de inductores o chokes de modo común (CMCs, Commonmode chokes) para sistemas monofásicos y trifásicos. La tesis adopta la forma de un compendio de artículos, presentando varias publicaciones clave sobre el tema. En primer lugar se contextualiza el trabajo mediante la presentación de una visión general de la importancia tecnológica de la electrificación creciente en el sector del transporte, particularmente en aeronaves y vehículos eléctricos. La electrificación implica un aumento de la demanda de potencia eléctrica, lo que requiere nuevos enfoques en el diseño de sistemas de distribución de energía. Se detallan los desafíos asociados con las interferencias electromagnéticas (EMI) en estos sistemas, especialmente con respecto a la mitigación de las señales de ruido electromagnético generado por los convertidores de potencia. La eficacia y optimización de los filtros EMI es crucial para cumplir con la estricta normativa de EMC a la vez que se minimiza el impacto en el peso y volumen del sistema. Los objetivos específicos de la tesis incluyen desarrollar un modelo de circuitos preciso para inductores de modo común, que incluya sus principales efectos parásitos y que abarque un amplio rango de frecuencias relevantes para las normativas de EMC. Se propone un análisis detallado de los fenómenos físicos subyacentes en el comportamiento de los CMCs. En particular el modelo de circuitos propuesto se desarrolla a partir de un enfoque modal que permite asociar cada uno de sus elementos con uno solo de los modos naturales del CMC cuándo éste se analiza como una red pasiva de 2N-puertos. Se hace hincapié en distinguir entre modos naturales del dispositivo como elemento pasivo de filtrado y modos de propagación de las señales de ruido, así como de qué manera están relacionados entre ellos. En resumen, el trabajo se enfoca en abordar el desarrollo y la optimización de un modelo preciso para los CMCs como componentes esenciales de los filtros EMI para sistemas monofásicos y trifásicos, mediante una visión detallada de los efectos físicos que rigen su comportamiento. El objetivo es que dicho modelo cuente con el menor número de elementos posible, sea fácil de interpretar y de ajustar, y también sea capaz de reproducir con precisión la respuesta de los CMCs en un rango amplio de frecuencias.
3D hybrid kinetic-MHD modelling of the interaction between Edge Localised Modes and Energetic Particles in the ASDEX Upgrade tokamak
(2023-11-03) Domíngez Palacios Durán, Jesús José; Futatani, S.; Toscano Jiménez, Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Nuclear fusion is a clean and virtually unlimited energy source that might meet the large energy demands in the near future. For the successful realization of a future fusion reactor, Edge Localized Modes [ELMs, periodic magnetohydrodynamic (MHD) instabilities that expel particles and energy from the plasma in a similar way to solar flares from the edge of the Sun] must be kept under control to avoid the large heat fluxes onto the plasma facing components, which will reduce the lifetime of the reactor. Although the ELM nature is well understood, its behavior and consequences in a burning plasma with a significant fraction of energetic (supra-thermal) ions is still missing. Energetic ions, which are produced by auxiliary heating systems or by the fusion reaction, are an essential source of momentum and energy that must be kept well confined until they slow down to the plasma bulk through Coulomb collisions. However, energetic ions are prone to a rich variety of wave-particle interactions due to their large velocities and long mean free paths, that can lead to an efficient exchange of energy and momentum with a broad spectrum of MHD fluctuations. This thesis shows the first nonlinear hybrid kinetic-MHD simulations of ELMs, aimed to study the self-consistent interaction between ELMs and fast-ions, applying the nonlinear hybrid kinetic-MHD code MEGA to an ASDEX Upgrade plasma. During this thesis, the numerical set up of MEGA code has been modified to study both the thermal plasma and fast-ion dynamics at the plasma edge. First, simulations without fast-ions are performed to simulate the basic physics of an ELM crash. In the linear phase, it is found that high-n ballooning modes are more unstable. The nonlinear coupling between the modes is observed in the early non-linear phase. The ELM crash is finally simulated, observing the plasma filaments that are ejected from the plasma region, with the consequence of the flattening of the driving sources. Fast-ions are then included in the model and different parameters of the fast-ion distribution have been scanned to understand how fast-ions and ELMs interact with each other. First, single-n simulations, which includes n = 0, 10 modes, are performed. When the fast-ion distribution peaks at the plasma core, both the ELM at the plasma edge and an Energetic Particle Mode (EPM) at the plasma core are simulated. Only when the fast-ion distribution is closer to the plasma edge, a strong interaction between ELMs and fast-ions is observed. In such a case, the simulations indicate that fast-ion kinetic effects have a strong impact on the spatio-temporal structure of the ELM. The interaction mechanism between the ELM and fast-ions has been analyzed studying the nature of the power exchange between ELMs and fast-ions in the phase-space of the energetic particles. Although the ELM is driven by the thermal plasma pressure gradient, a resonant interaction between the drift orbits of the edge fast-ion population and the ELM electromagnetic perturbation leads to a net wave-particle energy and momentum exchange that determines the resulting ELM spatio-temporal structure. An Energetic particle driven Geodesic Acoustic Mode (EGAM) appears after the ELM in the hybrid kinetic-MHD simulations, whose mode structure is strongly impacted by the ELM and that might help to understand the frequency pattern of the n = 0 mode observed in NBI heated plasmas. A hybrid kinetic MHD multi-n simulation of ELM, which includes n = 0, …, 10 modes, has also been performed to account for the wave-wave coupling in the presence of fast-ions. Without fast-ions, n = 9, 10 modes are the most unstable modes. In the presence of fast-ions, the most unstable mode number is n = 8 with an energy almost 5 times larger than the mode energies obtained in the MHD multi-n simulation without fast-ions. The shifting of the most unstable mode is due to a large energy exchange between n = 8 mode and energetic ions. The impact of the fast-ion kinetic effects on the spatio-temporal structure of high-n modes is qualitatively the same in both the multi-n and single-n hybrid kinetic-MHD simulations. A strong power exchange between the ELM and fast-ions is also found in the multi-n simulations. In this simulation, a resonance overlap between the different toroidal modes is probably taking place, given the closeness of the resonances associated to the different modes. Additionally, in the multi-n simulations, a strong impact on the spatio-temporal structure of low-n harmonics has been observed. The simulations presented in this manuscript reproduce some outstanding ELM observations in low collisionality plasmas with large fast-ion contents that feature abrupt and large ELM crashes.
Caracterización de componentes y mitigación de efectos parásitos para filtros EMI compactos
(2022-04-08) González Vizuete, Pablo; Bernal Méndez, Joaquín; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III
Los convertidores de potencia basados en la conmutación a alta frecuencia de interruptores de estado sólido tienen un amplio campo de aplicación hoy en día. Uno de los aspectos más delicados de diseño de estos equipos son la limitación de las emisiones radiadas y conducidas, que cuyos límites están típicamente estandarizados en diferentes normativas, según el campo de aplicación del convertidor. Debido a la tendencia actual de usar interruptores cada vez más rápidos, y el uso de frecuencias de conmutación cada vez mayores, el contenido de las emisiones a alta frecuencia (>5MHz) teinde a ser cada vez mayor. La idea principal de esta tesis es que las emisiones conducidas y radiadas de alta frecuencia en convertidores de potencia pueden mitigarse (sin incrementos significativos en el peso y volumen del convertidor) mediante la comprensión de parásitos que reducen la efectividad de los filtros EMI en el rango de frecuencias altas. Basándonos en esta idea, en esta tesis presentamos diferentes estrategias de caracterización y de layout de componentes de filtrado que optimizan la atenuación del filtro a altas frecuencias. En [1] nos centramos en el efecto negativo que tienen los acoplos mutuos entre condensadores de película puestos eléctricamente en paralelo, y colocados muy cerca entre ellos (p.e. en filtros compactos). Se propone una layout que usa favorablemente los acoplos entre condensadores. En [2] se propone un método sencillo de caracterización de la respuesta diferencial de chokes de modo común. El método propuesto no requiere el uso de circuitería auxiliar, y permite modelar los efectos capacitivos que dominan la respuesta de dichos chokes a alta frecuencia. En [3] estudiamos los acoplos magnéticos entre el choke de modo común y los condensadores de película en filtros EMI. Se proponen diferentes técnicas de apantallamiento entre dichos componentes con impacto muy pequeño en el tamaño y peso del filtro. Finalmente, en [4] se proponen diferentes configuraciones de un filtro LC de salida para un convertidor DC/DC aislado. Ciertas configuraciones propuestas mejoran las emisiones conducidas a alta frecuencia a la salida del convertidor, tanto en modo común como en modo diferencial.
Simulaciones biofísicas mediante elementos finitos de procesos de criopreservación y recalentamiento en material biológico
(2022-06-03) Barroso Rodríguez, Pablo; Risco, Ramón; Balcerzyk, Marcin; Olmo Fernández, Alberto; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Fisiología Médica y Biofísica; Universidad de Sevilla. Departamento de Tecnología Electrónica
En la criopreservación de material biológico se utilizan las bajas temperaturas para detener los procesos metabólicos celulares, intentando evitar el daño celular debido a la formación de hielo y las altas concentraciones de crioprotectores, tóxicas para dichos sistemas biológicos. De igual forma, es necesario realizar un proceso de recalentamiento que evite la formación de hielo, siendo para ello imprescindible en muchos casos un calentamiento de la muestra uniforme y a alta velocidad. En esta Tesis Doctoral se estudian diferentes procesos de enfriamiento y difusión de crioprotector en sistemas biológicos (células, tejidos y órganos), con el objetivo de entender mejor dichos procesos y optimizar diferentes parámetros en pruebas reales posteriores. Para ello se utilizan simulaciones de elementos finitos, mediante herramientas software como COMSOL Multiphysics y Openfoam. De igual forma se estudian y se simulan mediante elementos finitos diferentes propuestas novedosas para el recalentamiento de material biológico, como el uso de Ultrasonidos Focalizados de Alta Intensidad (HIFU, por sus siglas en inglés), o el uso de nanopartículas magnéticas unidas a proteínas anticongelantes. Las simulaciones realizadas muestran la validez y potencial de las técnicas aquí presentadas para su uso en la criopreservación de material biológico. Por último, se implementa un dispositivo para la realización de experimentos de criopreservación, mediante la técnica de Liquidus-Tracking, con el fin de validar las simulaciones de elementos finitos hechas y comparar los resultados obtenidos con los de un sistema real.
La medida en mecánica cuántica: movimiento de partículas en campos magnéticos inhomogéneos y estabilidad de las trayectorias de Bohm
(2005-05-11) Potel Aguilar, Gregory; Barranco Paulano, Francisco; Gómez Camacho, Joaquín José; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III
- Se ha abordado en esta Tesis el proceso de medida de un sistema cuántico, centrándonos en dos aspectos bien diferenciados: (i) el establecimiento de la correlación necesaria entre el sistema medido y el aparato de medida, y (ii) la singularización de un único resultado. Como caso paradigmático, se ha emprendido el estudio del movimiento de una partícula neutra en un campo magnético inhomogéneo (experimento de Stern-Gerlach). En este contexto, el “sistema cuántico” S medido lo constituye el espín de la partícula, mientras que su posición A hace las veces de “puntero de aparato de medida”, de acuerdo con las anteriores consideraciones. El dispositivo experimental que eventualmente permitirá establecer una correlación entre estos sistema lo constituye el campo magnético B ⃗. - Se ha integrado numéricamente la ecuación de Schrödinger exacta con un campo magnético realista, y se han descrito de esta forma fenómenos ausentes de la descripción que de este proceso se da en los libros de texto, tales como la focalización y el spin-flip. Estos efectos se han analizado desarrollando varias aproximaciones analíticas a la función de onda, haciendo uso del concepto de estados coherentes internos (CIS). La bondad de cada una de estas aproximaciones ha sido explícitamente estudiada, comparándolas con el resultado numérico exacto. - A partir del formalismo de la matriz M y de los CIS se ha descrito de forma compacta y continua el proceso dinámico de correlación entre los CIS (proyecciones del espín en la dirección local del campo) y la posición en el contexto de la MCO. Se ha mostrado que esta correlación se establece de forma paulatina, a partir de un estado inicial para el que, desde el punto de vista de la MCO, no existe relación alguna entre espín y posición. Se ha propuesto a partir de estas consideraciones un esquema de tomografía de espín que permite determinar, con una sola orientación del campo magnético, la polarización del haz de partículas. Se muestra cómo un haz de polarización conocida puede utilizarse para determinar la estructura de un campo magnético. - Se han obtenido las trayectorias de Bohm correspondientes al problema de la partícula en el campo magnético, comparándolas con las trayectorias semiclásicas. Se muestra que estas trayectorias no presentan rasgos de comportamiento caótico, pudiéndosele asignar de forma consistente un espín a cada partícula según su posición inicial. - Se ha investigado la convergencia a la distribución cuántica |Ψ|2 de una distribución arbitraria de probabilidad en el marco de la Mecánica Bohmiana. Se argumenta que la propiedad de mezcla es esencial para conseguir dicha convergencia, mostrando algunas deficiencias de intentos anteriores en este sentido. - Se ha propuesto un mecanismo universal de introducción de ruido estocástico en la expresión de las velocidades de Bohm. Se ha mostrado explícitamente cómo de esta forma se obtiene la convergencia de una distribución uniforme de partículas a la distribución cuántica |Ψ|2 en un sistema sencillo pero especialmente conflictivo.
Análisis de bronces de interés histórico mediante técnicas nucleares
(1998) Gómez-Tubio, Blanca María; Respaldiza Galisteo, Miguel Ángel; Barranco Paulano, Francisco; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Estudio de los experimentos de conversión paramétrica a la baja con el formalismo de la función de Wigner
(1998) Casado Rodríguez, Alberto; Martínez García, José; Santos Corchero, Emilio; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III
Síntesis dinámica de perfiles de leva mediante series trigonométricas finitas
(1986) Martínez García, José; García-Lomas Jung, Francisco Javier; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Aplicación de Campos Eléctricos a Chorros Capilares
(2011) Guerrero Millán, Joséfa; García García, Francisco Javier; González García, Heliodoro; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada I
Los resultados de este trabajo no se restringen a la mera caracterización de la estimulación EHD, sino que por un lado el formalismo es útil para la descripción de cualquier tipo de estimulación realizada mediante esfuerzos en la superficie del chorro, y por o tro, se han obtenido resultados relativos a la dinámica del chorro que tienen interés por sí mismos. Nos referimos a la descripción de los modos espaciales. Por ello, la organización más natural de la tesis nos parece aquella en la que primero se plantee el problema fluidomecánico de un chorro sometido a esfuerzos superficiales de cualquier origen, y posteriormente se aborde el problema eléctrico propio de la estimulación EHD. Para ello, en el capítulo dos se presentarán las ecuaciones y condiciones de contorno que describirán la dinámica del problema fluido sometido a cualquier tipo de estimulación superficial. Se resolverá el problema fluido sometido a una estimulación puntual con una dependencia temporal armónica (problema de la señal), mediante el formalismo de la función de Green. En esta solución aparecerá una combinación de los modos del sistema. Se mostrará un estudio detallado del análisis espacial del chorro capilar y se comprobará que la función de Green es una herramienta imprescindible para la comprensión de los modos espaciales. Una vez realizado el análisis modal, el objetivo del capítulo tres es realizar un estudio análogo mediante los modelos unidimensionales, lo cual suministra una herramienta de análisis más simple y, como se verá, suficientemente precisa. Se estudiarán los modos que aparecen en cada uno de los modelos y se comprobará su bondad comparando los resultados obtenidos para la función de Green con los del caso 3D. La caracterización de la estimulación EHD se realizará en el capítulo cuatro. Aunque en general están acoplados el problema fluidomecánico y eléctrico, en la práctica estos problemas pueden considerarse desacoplados. Se resolverá el problema eléctrico mediante el método de los elementos finitos usando el software comercial COMSOL Multiphysics y a partir de sus resultados se obtendrán los esfuerzos eléctricos que actúan sobre el chorro. Para comprobar y entender estos resultados numéricos, se propondrá un modelo circuital del problema. A partir del estudio numérico se diseñará un estimulador que actúe de forma eficiente. Por último, para dicho diseño, se estudiará la respuesta del chorro a la estimulación. Para ello se calculará la convolución de la función de Green obtenida en capítulos anteriores con los esfuerzos que se han obtenidos de forma numérica. De estos resultados se podrá obtener mucha información, como por ejemplo, cómo afecta la estimulación a cada uno de los modos espaciales, o a qué tipo de condición de contorno corresponde la deformación y velocidad obtenidas a la salida de la estimulación. También se verá cuál de las dos componentes de la estimulación, normal o tangencial, es más eficiente.

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