On the use of spatially discrete data to compute energy and mass balance

In many practical applications the state of field soils is monitored by recording the evolution of temperature and soil moisture at discrete depths. We theoretically investigate the systematic errors that arise when mass and energy balances are computed directly from these measurements. We show that, even with no measurement or model errors, large residuals might result when finite difference approximations are used to compute fluxes and storage term. To calculate the limits set by the use of spatially discrete measurements on the accuracy of balance closure, we derive an analytical solution to estimate the residual on the basis of the two key parameters: the penetration depth and the distance between the measurements. When the thickness of the control layer for which the balance is computed is comparable to the penetration depth of the forcing (which depends on the thermal diffusivity and on the forcing period) large residuals arise. The residual is also very sensitive to the distance between the measurements, which requires accurately controlling the position of the sensors in field experiments. We also demonstrate that, for the same experimental setup, mass residuals are sensitively larger than the energy residuals due to the nonlinearity of the moisture transport equation. Our analysis suggests that a careful assessment of the systematic mass error introduced by the use of spatially discrete data is required before using fluxes and residuals computed directly from field measurements.

Accurate and efficient simulation of multiphase flow in a heterogeneous reservoir by using error estimate and control in the multiscale finite-volume framework

The multiscale finite-volume (MSFV) method is designed to reduce the computational cost of elliptic and parabolic problems with highly heterogeneous anisotropic coefficients. The reduction is achieved by splitting the original global problem into a set of local problems (with approximate local boundary conditions) coupled by a coarse global problem. It has been shown recently that the numerical errors in MSFV results can be reduced systematically with an iterative procedure that provides a conservative velocity field after any iteration step. The iterative MSFV (i-MSFV) method can be obtained with an improved (smoothed) multiscale solution to enhance the localization conditions, with a Krylov subspace method [e.g., the generalized-minimal-residual (GMRES) algorithm] preconditioned by the MSFV system, or with a combination of both. In a multiphase-flow system, a balance between accuracy and computational efficiency should be achieved by finding a minimum number of i-MSFV iterations (on pressure), which is necessary to achieve the desired accuracy in the saturation solution. In this work, we extend the i-MSFV method to sequential implicit simulation of time-dependent problems. To control the error of the coupled saturation/pressure system, we analyze the transport error caused by an approximate velocity field. We then propose an error-control strategy on the basis of the residual of the pressure equation. At the beginning of simulation, the pressure solution is iterated until a specified accuracy is achieved. To minimize the number of iterations in a multiphase-flow problem, the solution at the previous timestep is used to improve the localization assumption at the current timestep. Additional iterations are used only when the residual becomes larger than a specified threshold value. Numerical results show that only a few iterations on average are necessary to improve the MSFV results significantly, even for very challenging problems. Therefore, the proposed adaptive strategy yields efficient and accurate simulation of multiphase flow in heterogeneous porous media.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

A multilevel multiscale finite volume method

The Multiscale Finite Volume (MsFV) method has been developed to efficiently solve reservoir-scale problems while conserving fine-scale details. The method employs two grid levels: a fine grid and a coarse grid. The latter is used to calculate a coarse solution to the original problem, which is interpolated to the fine mesh. The coarse system is constructed from the fine-scale problem using restriction and prolongation operators that are obtained by introducing appropriate localization assumptions. Through a successive reconstruction step, the MsFV method is able to provide an approximate, but fully conservative fine-scale velocity field. For very large problems (e.g. one billion cell model), a two-level algorithm can remain computational expensive. Depending on the upscaling factor, the computational expense comes either from the costs associated with the solution of the coarse problem or from the construction of the local interpolators (basis functions). To ensure numerical efficiency in the former case, the MsFV concept can be reapplied to the coarse problem, leading to a new, coarser level of discretization. One challenge in the use of a multilevel MsFV technique is to find an efficient reconstruction step to obtain a conservative fine-scale velocity field. In this work, we introduce a three-level Multiscale Finite Volume method (MlMsFV) and give a detailed description of the reconstruction step. Complexity analyses of the original MsFV method and the new MlMsFV method are discussed, and their performances in terms of accuracy and efficiency are compared.

Antagonism of neuromuscular blockade but not muscle relaxation affects depth of anaesthesia

RÉSUMÉ Introduction L'effet des agents myorelaxants ainsi que des anticholinestérases sur la profondeur d'anesthésie a été étudié avec des résultats contradictoires. C'est pourquoi nous avons évalué l'effet de l'atracurium et de la néostigmine sur le BIS (bispectral index) ainsi que sur les potentiels auditives évoqués (middle-latency auditory evoked potentials, A-Line® autoregressive index [AAI]). Méthodes Après avoir obtenu l'accord du comité d'éthique local, nous avons étudié 40 patients ayant donné leur consentement écrit, ASA I-II, âgé de 18-69 ans. L'anesthésie générale a consisté en anesthésie intra-veineuse à objectif de concentration avec du propofol et du remifentanil. La fonction de la jonction neuromusculaire était monitorée en continu au moyen d'un électromyographe. Le BIS et l'AAI ont été enregistrés en continu. Après avoir atteint des valeurs stables au niveau du BIS, les patients ont été attribués à deux groupes par randomisation. Les patients du groupe 1 ont reçu 0.4 mg kg-1 d'atracurium et 5 minutes plus tard le même volume de NaCI 0.9%, dans le groupe 2 la séquence d'injection était inversée, le NaCI 0.9% en premier et l'atracurium en deuxième. Au moment où le premier « twitch » d'un train de quatre atteignait 10% de l'intensité avant la relaxation, les patients ont été randomisés une deuxième fois. Les patients du groupe N ont reçu 0.04 mg kg-1 de néostigmine et 0.01 rn9 kg-1 de glycopyrrolate alors que le groupe contrôle (G) ne recevait que 0.01 mg kg-] de glycopyrrolate. Résultats : L 'injection d'atracurium ou de NaCI 0.9% n'a pas eu d'effet sur le BIS ou l'AAI. Après l'injection de néostigmine avec glycopyrrolate, le BIS et I `AAI a augmenté de manière significative (changement maximal moyen du BIS 7.1 ± 7.5, P< 0.001, de l'AAI 9.7 ± 10.5, P< 0.001). Suite à l'injection de glycopyrrolate seule, le BIS et l'AAI a augmenté également (changement maximal moyen du BIS 2.2 ± 3.4, P< 0.008, de l'AAI 3.5 ± 5.7, P< 0.012), mais cette augmentation était significativement moins importante que dans le groupe N (P< 0.012 pour le BIS, P< 0.027 pour l'AAI). Conclusion Ces résultats laissent supposer que la néostigmine peut altérer la profondeur de l'anesthésie. La diminution de la profondeur d'anesthésie enregistrée par le BIS et l'AAI correspond probablement à une réapparition brusque d'une stimulation centrale liée à la proprioception. Au contraire, lors de la curarisation, le tonus musculaire diminue de manière beaucoup plus progressive, pouvant ainsi expliquer l'absence d'effet sur la profondeur d'anesthésie. ABSTRACT Background. Conflicting effects of neuromuscular blocking drugs and anticholinesterases on depth of anaesthesia have been reported. Therefore we evaluated the effect of atracurium and neostigmine on bispectral index (BIS) and middle-latency auditory evoked potentials (AAI). Methods. We studied 40 patients (ASA I-II) aged 18-69 yr. General anaesthesia consisted of propofol and remifentanil by target-controlled infusion and neuromuscular function was monitored by electromyography. When BIS reached stable values, patients were randomly assigned to one of two groups. Group I received atracurium 0.4 mg kg-1 and, 5 min later, the same volume of NaCl 0.9%; group 2 received saline first and then atracurium. When the first twitch of a train of four reached 10% of control intensity, patients were again randomized: one group (N) received neostigmine 0.04 mg kg-1 and glycopyrrolate 0.01 mg kg-1, and the control group (G) received only glycopyrrolate. Results. Injection of atracurium or NaCl 0.9% had no effect on BIS or AAI. After neostigmine¬glycopyrrolate, BIS and AAI increased significantly (mean maximal change of BIS 7.1 [SD 7.5], P<0.001; mean maximal change of AAI 9.7 [10.5], P<0.001). When glycopyrrolate was injected alone BIS and AAI also increased (mean maximal change of BIS 2.2 [3.4], P=0.008; mean maximal change of AAI 3.5 [5.7], P=0.012), but this increase was significantly less than in group N (P=0.012 for BIS; P=0.027 for AAI). Conclusion. These data suggest that neostigmine alters the state of propofol-remifentanil anaesthesia and may enhance recovery.

Importance of polyethylene thickness in total shoulder arthroplasty: a finite element analysis.

BACKGROUND: Articular surfaces reconstruction is essential in total shoulder arthroplasty. Because of the limited glenoid bone support, thin glenoid component could improve anatomical reconstruction, but adverse mechanical effects might appear. METHODS: With a numerical musculoskeletal shoulder model, we analysed and compared three values of thickness of a typical all-polyethylene glenoid component: 2, 4 (reference) and 6mm. A loaded movement of abduction in the scapular plane was simulated. We evaluated the humeral head translation, the muscle moment arms, the joint force, the articular contact pattern, and the polyethylene and cement stress. Findings Decreasing polyethylene thickness from 6 to 2mm slightly increased humeral head translation and muscle moment arms. This induced a small decreased of the joint reaction force, but important increase of stress within the polyethylene and the cement mantel. Interpretation The reference thickness of 4mm seems a good compromise to avoid stress concentration and joint stuffing.

An operator formulation of the multiscale finite-volume method with correction function

The multiscale finite-volume (MSFV) method has been derived to efficiently solve large problems with spatially varying coefficients. The fine-scale problem is subdivided into local problems that can be solved separately and are coupled by a global problem. This algorithm, in consequence, shares some characteristics with two-level domain decomposition (DD) methods. However, the MSFV algorithm is different in that it incorporates a flux reconstruction step, which delivers a fine-scale mass conservative flux field without the need for iterating. This is achieved by the use of two overlapping coarse grids. The recently introduced correction function allows for a consistent handling of source terms, which makes the MSFV method a flexible algorithm that is applicable to a wide spectrum of problems. It is demonstrated that the MSFV operator, used to compute an approximate pressure solution, can be equivalently constructed by writing the Schur complement with a tangential approximation of a single-cell overlapping grid and incorporation of appropriate coarse-scale mass-balance equations.

Constraining 3-D electrical resistance tomography with GPR reflection data forimproved aquifer characterization

Surface-based ground penetrating radar (GPR) and electrical resistance tomography (ERT) are common tools for aquifer characterization, because both methods provide data that are sensitive to hydrogeologically relevant quantities. To retrieve bulk subsurface properties at high resolution, we suggest incorporating structural information derived from GPR reflection data when inverting surface ERT data. This reduces resolution limitations, which might hinder quantitative interpretations. Surface-based GPR reflection and ERT data have been recorded on an exposed gravel bar within a restored section of a previously channelized river in northeastern Switzerland to characterize an underlying gravel aquifer. The GPR reflection data acquired over an area of 240×40 m map the aquifer's thickness and two internal sub-horizontal regions with different depositional patterns. The interface between these two regions and the boundary of the aquifer with then underlying clay are incorporated in an unstructured ERT mesh. Subsequent inversions are performed without applying smoothness constraints across these boundaries. Inversion models obtained by using these structural constraints contain subtle resistivity variations within the aquifer that are hardly visible in standard inversion models as a result of strong vertical smearing in the latter. In the upper aquifer region, with high GPR coherency and horizontal layering, the resistivity is moderately high (N300 Ωm). We suggest that this region consists of sediments that were rearranged during more than a century of channelized flow. In the lower low coherency region, the GPR image reveals fluvial features (e.g., foresets) and generally more heterogeneous deposits. In this region, the resistivity is lower (~200 Ωm), which we attribute to increased amounts of fines in some of the well-sorted fluvial deposits. We also find elongated conductive anomalies that correspond to the location of river embankments that were removed in 2002.

Geological structure, recharge processes and underground drainage of a glacierised karst aquifer system, Tsanfleuron-Sanetsch, Swiss Alps

The relationships between stratigraphic and tectonic setting, recharge processes and underground drainage of the glacierised karst aquifer system `Tsanfleuron-Sanetsch' in the Swiss Alps have been studied by means of various methods, particularly tracer tests (19 injections). The area belongs to the Helvetic nappes and consists of Jurassic to Palaeogene sedimentary rocks. Strata are folded and form a regional anticlinorium. Cretaceous Urgonian limestone constitutes the main karst aquifer, overlain by a retreating glacier in its upper part. Polished limestone surfaces are exposed between the glacier front and the end moraine of 1855/1860 (Little Ice Age); typical alpine karrenfields can be observed further below. Results show that (1) large parts of the area are drained by the Glarey spring, which is used as a drinking water source, while marginal parts belong to the catchments of other springs; (2) groundwater flow towards the Glarey spring occurs in the main aquifer, parallel to stratification, while flow towards another spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800 m of marl and limestone, along deep faults that were probably enlarged by mass movements; (3) the variability of glacial meltwater production influences the shape of the tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.