[en] The formation and evolution of cosmic structures proceed through the gravitational collapse of primordial density fluctuations, which is a non-linear process that results in the emergence of the cosmic web and a rich hierarchy of structures. Besides gravity, many more phenomena associated with the physics of baryons are at play during this evolution and shape the physical and observational properties of galaxies, galaxy clusters and the environments they inhabit. The processes of cosmological structure formation are complex, in the sense of very non-linear, and involve a wide range of physical scales, making numerical simulations an indispensable tool for their understanding. The scientific goals of this Thesis have been mainly oriented towards the numerical study of the assembly of galaxy clusters, in the first place, and cosmic voids, in the second place, as two complementary ends of the range of cosmic structures. In galaxy clusters, the stirring of the gas due to accretion and mergers, together with other processes, generates two important non-linear hydrodynamic phenomena: shock waves and turbulence, which have a consequential impact on the dynamical, thermodynamical and observational properties of clusters. Regarding cosmic voids, although much of their interest comes from their role as pristine environments for galaxy evolution due to their mostly outflowing velocity field, the situation can be more complex in a cosmological context. The main results of this Thesis can be summarised in four closely intertwined main lines. The first line of work has been the development of numerical tools for the analysis of cosmological simulations of different types. The most salient outputs have been vortex, a code for performing a Helmholtz-Hodge decomposition of multiresolution velocity fields, and a new version of ASOHF, a spherical overdensity halo and galaxy finder. Both codes have been publicly released. The second line concerns the assembly of galaxy clusters, comprising two different works exploring the quantitative study of their accretion histories and the determination of the assembly state of dark matter haloes from a set of observables. A third axis of this Thesis is the study of the previously mentioned non-linear hydrodynamic phenomena, including the presence of turbulent motions in the intracluster medium in connection with its assembly history and the properties of cosmological accretion shock waves. Finally, the fourth line of work has been devoted to the study of the velocity field in cosmic voids, including the development of a new method for their identification in cosmological simulations.

[es] La formación y evolución de estructuras cósmicas avanza a través del colapso gravitacional de fluctuaciones de densidad primordiales, que es un proceso no lineal que da lugar a la aparición de la telaraña cósmica y a una rica jerarquía de estructuras. Además de la gravedad, muchos otros fenómenos asociados a la física de los bariones están presentes durante esta evolución y configuran las propiedades físicas y observacionales de galaxias, cúmulos de galaxias y los entornos que habitan. Los procesos de formación de estructuras cosmológicas son complejos, en el sentido de ser altamente no lineales, e involucran una amplia gama de escalas físicas, haciendo que las simulaciones numéricas se conviertan en una herramienta indispensable para su comprensión. Los objetivos científicos de esta Tesis se han orientado principalmente hacia el estudio numérico del ensamblaje de cúmulos de galaxias, en primer lugar, y vacíos cósmicos, en segundo lugar, como dos extremos complementarios del rango de estructuras cósmicas. En los cúmulos de galaxias, la agitación del gas debido a la acreción y las fusiones, junto con otros procesos, genera dos importantes fenómenos hidrodinámicos no lineales: ondas de choque y turbulencia, que tienen un impacto decisivo en las propiedades dinámicas, termodinámicas y observacionales de los cúmulos. En cuanto a los vacíos cósmicos, aunque gran parte de su interés proviene de su papel como entornos prístinos para la evolución galáctica debido a su campo de velocidad mayoritariamente saliente, la situación es más compleja en un contexto cosmológico. Los principales resultados de esta Tesis se pueden resumir en cuatro líneas principales, estrechamente relacionadas. La primera línea de trabajo ha sido el desarrollo de herramientas numéricas para el análisis de simulaciones cosmológicas de diferentes tipos. Los resultados más destacados han sido vortex, un código para realizar una descomposición de Helmholtz-Hodge de campos de velocidad multiresolución, y una nueva versión de ASOHF, un buscador de halos y galaxias de sobredensidad esférica. Ambos códigos se han puesto a disposición de la comunidad científica. La segunda línea trata del ensamblaje de cúmulos de galaxias, con dos trabajos diferentes que exploran el estudio cuantitativo de sus historias de acreción y la determinación del estado de ensamblaje de los halos de materia oscura a partir de un conjunto de observables. Un tercer eje de esta Tesis es el estudio de los fenómenos hidrodinámicos no lineales mencionados previamente, incluyendo la presencia de movimientos turbulentos en el medio intracúmulo en conexión con su historia de ensamblaje, y las propiedades de las ondas de choque de acreción cosmológicas. Finalmente, la cuarta línea de trabajo se ha dedicado al estudio del campo de velocidad en vacíos cósmicos, incluyendo el desarrollo de un nuevo método para su identificación en simulaciones cosmológicas.