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.

Expression of calbindin immunoreactivity by subpopulations of primary sensory neurons in chick embryo dorsal root ganglion cells grown in coculture or conditioned medium.

Primary sensory neurons which innervate neuromuscular spindles in the chicken are calbindin-immunoreactive. The influence exerted by developing skeletal muscle on the expression of calbindin immunoreactivity by subpopulations of dorsal root ganglion (DRG) cells in the chick embryo was tested in vitro in coculture with myoblasts, in conditioned medium (CM) prepared from myoblasts and in control cultures of DRG cells alone. Control cultures of DRG cells grown at the 6th embryonic day (E6) did not show any calbindin-immunostained ganglion cell. In coculture of myoblasts previously grown for 14 days, about 3% of calbindin-immunoreactive ganglion cells were detected while about 1% were observed in some cultures grown in CM. Fibroblasts from various sources were devoid of effect. Skin or kidney cells were more active than myoblasts to initiate calbindin expression by subpopulations of DRG cells in coculture or, to a lesser degree, in CM. The results suggest that cellular factors would rather induce calbindin expression in certain sensory neurons than ensure a selective neuronal survival.

Assessment of debris-flow susceptibility at medium-scale in the Barcelonnette Basin, France

Debris flows are among the most dangerous processes in mountainous areas due to their rapid rate of movement and long runout zone. Sudden and rather unexpected impacts produce not only damages to buildings and infrastructure but also threaten human lives. Medium- to regional-scale susceptibility analyses allow the identification of the most endangered areas and suggest where further detailed studies have to be carried out. Since data availability for larger regions is mostly the key limiting factor, empirical models with low data requirements are suitable for first overviews. In this study a susceptibility analysis was carried out for the Barcelonnette Basin, situated in the southern French Alps. By means of a methodology based on empirical rules for source identification and the empirical angle of reach concept for the 2-D runout computation, a worst-case scenario was first modelled. In a second step, scenarios for high, medium and low frequency events were developed. A comparison with the footprints of a few mapped events indicates reasonable results but suggests a high dependency on the quality of the digital elevation model. This fact emphasises the need for a careful interpretation of the results while remaining conscious of the inherent assumptions of the model used and quality of the input data.

Détermination de l'antigène HLA-G soluble dans le liquide folliculaire et dans le milieu de culture d'embryons comme indicateur du succès d'un traitement par FIV-ICSI [Soluble human leukocyte antigen-G (sHLA-G) in follicular fluid and embryo culture medium and its impact on pregnancy prediction in IVF-ICSI treatment]

In IVF around 70% of embryos fail to implant. Often more than one embryo is transferred in order to enhance the chances of pregnancy, but this is at the price of an increased multiple pregnancy risk. In the aim to increase the success rate with a single embryo, research projects on prognostic factors of embryo viability have been initiated, but no marker has found a routine clinical application to date. Effects of soluble human leukocyte antigen-G (sHLA-G) on both NK cell activity and on Th1/Th2 cytokine balance suggest a role in the embryo implantation process, but the relevance of sHLA-G measurements in embryo culture medium and in follicular fluid (FF) are inconsistent to date. In this study, we have investigated the potential of sHLA-G in predicting the achievement of a pregnancy after IVF-ICSI in a large number of patients (n = 221). sHLA-G was determined in media and in FF by ELISA. In both FF and embryo medium, no significant differences in sHLA-G concentrations were observed between the groups "pregnancy" and "implantation failure", or between the groups "ongoing" versus "miscarried pregnancies". Our results do not favour routine sHLA-G determinations in the FF nor in embryo conditioned media, with the current assay technology available.

A framework for hybrid simulations of two-phase flow in porous media

Rough a global coarse problem. Although these techniques are usually employed for problems in which the fine-scale processes are described by Darcy's law, they can also be applied to pore-scale simulations and used as a mathematical framework for hybrid methods that couples a Darcy and pore scales. In this work, we consider a pore-scale description of fine-scale processes. The Navier-Stokes equations are numerically solved in the pore geometry to compute the velocity field and obtain generalized permeabilities. In the case of two-phase flow, the dynamics of the phase interface is described by the volume of fluid method with the continuum surface force model. The MsFV method is employed to construct an algorithm that couples a Darcy macro-scale description with a pore-scale description at the fine scale. The hybrid simulations results presented are in good agreement with the fine-scale reference solutions. As the reconstruction of the fine-scale details can be done adaptively, the presented method offers a flexible framework for hybrid modeling.

Comprehensive analysis of proteins secreted by dermatophytes in a protein medium which to some extent mimic "in vivo" growth parameters

RESUME : Les dermatophytes sont les agents infectieux les plus fréquents responsables de la plupart des mycoses superficielles chez les humains et chez les animaux. Ces infections, dermatophytoses, également appelées tineas ou teignes, sont fréquentes et causent des problèmes de santé publique au niveau mondial. La capacité d'envahir et de progresser au sein des structures kératinisées est probablement liée à la sécrétion de différentes enzymes kératinolytiques, qui sont considérées comme la principale caractéristique liée à la pathogénicité de ces champignons. L'objectif de ma thèse a été premièrement de progresser dans l'identification et la caractérisation des nouvelles protéines sécrétées, afin de mieux comprendre a) la capacité globale des dermatophytes à envahir les structures kératinisées, et b) les différences dans la virulence et la spécificité d'hôte que présentent les espèces étudiées .Pour progresser dans l'identification et la caractérisation de ces nouvelles protéines, les secretomes de six espèces de dermatophytes (Trichophyton rubrum, Trichophyton violaceum, Trichophyton soudanense, Trichophyton equinum, Arthroderma vanbreuseghemii et Trichophyton tonsurans) ont été étudiés. Bien qu'il y ait un niveau globalement élevé de similitude entre les protéases sécrétées, les différentes espèces de dermatophytes sécrètent des profiles protéiques distincts lorsqu'elles sont cultivées dans les mêmes conditions de culture, et donc une signature spécifique a pu être associé à chaque espèce. Ces profiles ont été un outil avantageux pour identifier et cartographier les protéines orthologues aux six espèces et ont aussi permit la discrimination d'espèces très proches comme T. tonsurans et T. equinum qui ne peuvent pas être différenciées par l'ADN ribosomal. Ce travail également présente ce que l'on croit être la première identification global des protéines sécrétées par les dermatophytes dans des conditions de culture que incitent l'activité protéolytique extracellulaire. Ce catalogue de protéines, comprenant des endo- and exo- proteases, autres hydrolases, oxydoreductases et des protéines avec fonction inconnue, représente probablement le spectre d'enzymes qui permettent la dégradation des tissus kératinisés en composés qui peuvent être assimilés par le champignon. Les résultats suggèrent qu'un changement écologique pourrait être associé à une expression différentielle des gènes codant les protéines sécrétées, en particulier, les protéases, plutôt qu'à des divergences génétiques au niveau des gènes codant les protéines orthologues. Une sécrétion différentielle des protéines par les dermatophytes pourrait également être responsable de la variabilité inflammatoire qui causent ces agents infectieux chez les différents hôtes. Par conséquent, les protéines identifiées ici sont également importantes pour faire la lumière sur la réponse immunitaire de l'hôte au cours du processus infectieux. SUMMARY : Dermatophytes are the most common infectious agents responsible for superficial mycosis in humans and animals. Dermatophytoses, also called tineas or ringworm, are frequent and cause public health problems worldwide. The secretion of different keratinolytic enzymes is believed to be a key pathogenicity-related characteristic of these fungi. The aim of this work was first to progress in the identification and characterization of novel secreted proteins, in order to better understand a) the overall capability of dermatophytes to invade keratinised structures, and b) differences in virulence and host-specificity of the investigated species. To progress in the identification and characterization of novel proteins, the secretomes from Trichophyton rubrum, Trichophyton violaceum, Trichophyton soudanense, Trichophyton equinum, Arthroderma vanbreuseghemii and Trichophyton tonsurans were studied. Although there is a high global level of similarity among the secreted proteases, different dermatophyte species produce distinct patterns of proteins when grown in the same culture medium, and so a specific signature could be associated to each species. These patterns were useful to identify and map orthologous proteins among the six species, as well as to discriminate the closely related species T. tonsurans and T. equinum, which cannot be differentiated by ribosomal DNA. This work also presents the first in-depth identification of the major proteins secreted by dermatophytes growing under conditions promoting extracellular proteolytic activity. This catalogue of proteins, which include several endo- and exo- proteases, other hydrolases, oxydoreductases, and proteins of unknown function, probably represents the spectrum of enzymes that allow the degradation of keratinized tissues into compounds which can be assimilated by the fungus. The results suggest that ecological switching could be related to a differential expression of genes encoding secreted proteins, particularly, proteases, rather than genetic divergences of the genes encoding orthologous proteins. Differential secretion of proteins by Dermatophyte species could also be responsible for the variable inflammation caused by the infectious agent within the host. Therefore, the proteins here identified are also important to shed light into the immune response of the host during the infection process.

Cadmium-free quantum dots in aqueous solution: potential for fingermark detection, synthesis and an application to the detection of fingermarks in blood on non-porous surfaces

The use of quantum dots (QDs) in the area of fingermark detection is currently receiving a lot of attention in the forensic literature. Most of the research efforts have been devoted to cadmium telluride (CdTe) quantum dots often applied as powders to the surfaces of interests. Both the use of cadmium and the nano size of these particles raise important issues in terms of health and safety. This paper proposes to replace CdTe QDs by zinc sulphide QDs doped with copper (ZnS:Cu) to address these issues. Zinc sulphide-copper doped QDs were successfully synthesized, characterized in terms of size and optical properties and optimized to be applied for the detection of impressions left in blood, where CdTe QDs proved to be efficient. Effectiveness of detection was assessed in comparison with CdTe QDs and Acid Yellow 7 (AY7, an effective blood reagent), using two series of depletive blood fingermarks from four donors prepared on four non-porous substrates, i.e. glass, transparent polypropylene, black polyethylene and aluminium foil. The marks were cut in half and processed separately with both reagents, leading to two comparison series (ZnS:Cu vs. CdTe, and ZnS:Cu vs. AY7). ZnS:Cu proved to be better than AY7 and at least as efficient as CdTe on most substrates. Consequently, copper-doped ZnS QDs constitute a valid substitute for cadmium-based QDs to detect blood marks on non-porous substrates and offer a safer alternative for routine use.

Bayesian Markov-chain-Monte-Carlo inversion of time-lapse cross hole ground-penetrating radar data to characterize the vadose zone at the Arrenaes field site, Denmark

The ground-penetrating radar (GPR) geophysical method has the potential to provide valuable information on the hydraulic properties of the vadose zone because of its strong sensitivity to soil water content. In particular, recent evidence has suggested that the stochastic inversion of crosshole GPR traveltime data can allow for a significant reduction in uncertainty regarding subsurface van Genuchten-Mualem (VGM) parameters. Much of the previous work on the stochastic estimation of VGM parameters from crosshole GPR data has considered the case of steady-state infiltration conditions, which represent only a small fraction of practically relevant scenarios. We explored in detail the dynamic infiltration case, specifically examining to what extent time-lapse crosshole GPR traveltimes, measured during a forced infiltration experiment at the Arreneas field site in Denmark, could help to quantify VGM parameters and their uncertainties in a layered medium, as well as the corresponding soil hydraulic properties. We used a Bayesian Markov-chain-Monte-Carlo inversion approach. We first explored the advantages and limitations of this approach with regard to a realistic synthetic example before applying it to field measurements. In our analysis, we also considered different degrees of prior information. Our findings indicate that the stochastic inversion of the time-lapse GPR data does indeed allow for a substantial refinement in the inferred posterior VGM parameter distributions compared with the corresponding priors, which in turn significantly improves knowledge of soil hydraulic properties. Overall, the results obtained clearly demonstrate the value of the information contained in time-lapse GPR data for characterizing vadose zone dynamics.

Triodothyronine enhancement of neuronal differentiation in aggregating fetal rat brain cells cultured in a chemically defined medium.

Triiodothyronine (30 nM) added to serum-free cultures of mechanically dissociated re-aggregating fetal (15-16 days gestation) rat brain cells greatly increased the enzymatic activity of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase throughout the entire culture period (33 days), and markedly accelerated the developmental rise of glutamic acid decarboxylase specific activity. The enhancement of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase specific activities in the presence of triiodothyronine was even more pronouned in cultures of telencephalic cells. If triiodothyronine treatment was restricted to the first 17 culture days, the level of choline acetyltransferase specific activity at day 33 was 84% of that in chronically treated cultures and 270% of that in cultures receiving triiodothyronine between days 17 and 33, indicating that relatively undifferentiated cells were more responsive to the hormone. Triiodothyronine had no apparent effect on the incorporation of [3H]thymidine at day 5 or on the total DNA content of cultures, suggesting that cellular differentiation, rather than proliferation was affected by the hormone. Our findings in vitro are in good agreement with many observations in vivo, suggesting that rotation-mediated aggregating cell cultures of fetal rat brain provide a useful model to study thyroid hormone action in the developing brain.