Direct simulation of interface dynamics: linking capillary pressure, interfacial area and surface energy

We perform direct numerical simulations of drainage by solving Navier- Stokes equations in the pore space and employing the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the fluid-fluid interface. After demonstrating that the method is able to deal with large viscosity contrasts and to model the transition from stable flow to viscous fingering, we focus on the definition of macroscopic capillary pressure. When the fluids are at rest, the difference between inlet and outlet pressures and the difference between the intrinsic phase average pressure coincide with the capillary pressure. However, when the fluids are in motion these quantities are dominated by viscous forces. In this case, only a definition based on the variation of the interfacial energy provides an accurate measure of the macroscopic capillary pressure and allows separating the viscous from the capillary pressure components.

Brownian dynamics simulation of DNA condensation.

DNA condensation observed in vitro with the addition of polyvalent counterions is due to intermolecular attractive forces. We introduce a quantitative model of these forces in a Brownian dynamics simulation in addition to a standard mean-field Poisson-Boltzmann repulsion. The comparison of a theoretical value of the effective diameter calculated from the second virial coefficient in cylindrical geometry with some experimental results allows a quantitative evaluation of the one-parameter attractive potential. We show afterward that with a sufficient concentration of divalent salt (typically approximately 20 mM MgCl(2)), supercoiled DNA adopts a collapsed form where opposing segments of interwound regions present zones of lateral contact. However, under the same conditions the same plasmid without torsional stress does not collapse. The condensed molecules present coexisting open and collapsed plectonemic regions. Furthermore, simulations show that circular DNA in 50% methanol solutions with 20 mM MgCl(2) aggregates without the requirement of torsional energy. This confirms known experimental results. Finally, a simulated DNA molecule confined in a box of variable size also presents some local collapsed zones in 20 mM MgCl(2) above a critical concentration of the DNA. Conformational entropy reduction obtained either by supercoiling or by confinement seems thus to play a crucial role in all forms of condensation of DNA.

Numerical simulation of ambient seismic wavefield modification caused by pore-fluid effects in an oil reservoir

We have modeled numerically the seismic response of a poroelastic inclusion with properties applicable to an oil reservoir that interacts with an ambient wavefield. The model includes wave-induced fluid flow caused by pressure differences between mesoscopic-scale (i.e., in the order of centimeters to meters) heterogeneities. We used a viscoelastic approximation on the macroscopic scale to implement the attenuation and dispersion resulting from this mesoscopic-scale theory in numerical simulations of wave propagation on the kilometer scale. This upscaling method includes finite-element modeling of wave-induced fluid flow to determine effective seismic properties of the poroelastic media, such as attenuation of P- and S-waves. The fitted, equivalent, viscoelastic behavior is implemented in finite-difference wave propagation simulations. With this two-stage process, we model numerically the quasi-poroelastic wave-propagation on the kilometer scale and study the impact of fluid properties and fluid saturation on the modeled seismic amplitudes. In particular, we addressed the question of whether poroelastic effects within an oil reservoir may be a plausible explanation for low-frequency ambient wavefield modifications observed at oil fields in recent years. Our results indicate that ambient wavefield modification is expected to occur for oil reservoirs exhibiting high attenuation. Whether or not such modifications can be detected in surface recordings, however, will depend on acquisition design and noise mitigation processing as well as site-specific conditions, such as the geologic complexity of the subsurface, the nature of the ambient wavefield, and the amount of surface noise.

Nouvelles méthodes pour le diagnostic des infections liées aux implants [New methods for the diagnosis of implant-associated infections]

For successful treatment of prosthetic joint infection, the identification of the infecting microorganism is crucial. Cultures of synovial fluid and intraoperative periprosthetic tissue represent the standard method for diagnosing prosthetic joint infection. Rapid and accurate diagnostic tools which can detect a broad range of causing microorganisms and their antimicrobial resistance are increasingly needed. With newer diagnostic techniques, such as sonication of removed implants, microcalorimetry, molecular methods and mass spectrometry, the sensitivity has been significantly increased. In this article, we describe the conventional and newer diagnostic techniques with their advantages and potential future applications.

Analysis, modelling and visualisation of spatiotemporal data for urban studies

The proportion of population living in or around cites is more important than ever. Urban sprawl and car dependence have taken over the pedestrian-friendly compact city. Environmental problems like air pollution, land waste or noise, and health problems are the result of this still continuing process. The urban planners have to find solutions to these complex problems, and at the same time insure the economic performance of the city and its surroundings. At the same time, an increasing quantity of socio-economic and environmental data is acquired. In order to get a better understanding of the processes and phenomena taking place in the complex urban environment, these data should be analysed. Numerous methods for modelling and simulating such a system exist and are still under development and can be exploited by the urban geographers for improving our understanding of the urban metabolism. Modern and innovative visualisation techniques help in communicating the results of such models and simulations. This thesis covers several methods for analysis, modelling, simulation and visualisation of problems related to urban geography. The analysis of high dimensional socio-economic data using artificial neural network techniques, especially self-organising maps, is showed using two examples at different scales. The problem of spatiotemporal modelling and data representation is treated and some possible solutions are shown. The simulation of urban dynamics and more specifically the traffic due to commuting to work is illustrated using multi-agent micro-simulation techniques. A section on visualisation methods presents cartograms for transforming the geographic space into a feature space, and the distance circle map, a centre-based map representation particularly useful for urban agglomerations. Some issues on the importance of scale in urban analysis and clustering of urban phenomena are exposed. A new approach on how to define urban areas at different scales is developed, and the link with percolation theory established. Fractal statistics, especially the lacunarity measure, and scale laws are used for characterising urban clusters. In a last section, the population evolution is modelled using a model close to the well-established gravity model. The work covers quite a wide range of methods useful in urban geography. Methods should still be developed further and at the same time find their way into the daily work and decision process of urban planners. La part de personnes vivant dans une région urbaine est plus élevé que jamais et continue à croître. L'étalement urbain et la dépendance automobile ont supplanté la ville compacte adaptée aux piétons. La pollution de l'air, le gaspillage du sol, le bruit, et des problèmes de santé pour les habitants en sont la conséquence. Les urbanistes doivent trouver, ensemble avec toute la société, des solutions à ces problèmes complexes. En même temps, il faut assurer la performance économique de la ville et de sa région. Actuellement, une quantité grandissante de données socio-économiques et environnementales est récoltée. Pour mieux comprendre les processus et phénomènes du système complexe "ville", ces données doivent être traitées et analysées. Des nombreuses méthodes pour modéliser et simuler un tel système existent et sont continuellement en développement. Elles peuvent être exploitées par le géographe urbain pour améliorer sa connaissance du métabolisme urbain. Des techniques modernes et innovatrices de visualisation aident dans la communication des résultats de tels modèles et simulations. Cette thèse décrit plusieurs méthodes permettant d'analyser, de modéliser, de simuler et de visualiser des phénomènes urbains. L'analyse de données socio-économiques à très haute dimension à l'aide de réseaux de neurones artificiels, notamment des cartes auto-organisatrices, est montré à travers deux exemples aux échelles différentes. Le problème de modélisation spatio-temporelle et de représentation des données est discuté et quelques ébauches de solutions esquissées. La simulation de la dynamique urbaine, et plus spécifiquement du trafic automobile engendré par les pendulaires est illustrée à l'aide d'une simulation multi-agents. Une section sur les méthodes de visualisation montre des cartes en anamorphoses permettant de transformer l'espace géographique en espace fonctionnel. Un autre type de carte, les cartes circulaires, est présenté. Ce type de carte est particulièrement utile pour les agglomérations urbaines. Quelques questions liées à l'importance de l'échelle dans l'analyse urbaine sont également discutées. Une nouvelle approche pour définir des clusters urbains à des échelles différentes est développée, et le lien avec la théorie de la percolation est établi. Des statistiques fractales, notamment la lacunarité, sont utilisées pour caractériser ces clusters urbains. L'évolution de la population est modélisée à l'aide d'un modèle proche du modèle gravitaire bien connu. Le travail couvre une large panoplie de méthodes utiles en géographie urbaine. Toutefois, il est toujours nécessaire de développer plus loin ces méthodes et en même temps, elles doivent trouver leur chemin dans la vie quotidienne des urbanistes et planificateurs.

Sex differences in urinary levels of several biological indicators of exposure: a simulation study using a compartmental based toxicokinetic model

Toxicokinetic modeling is a useful tool to describe or predict the behavior of a chemical agent in the human or animal organism. A general model based on four compartments was developed in a previous study in order to quantify the effect of human variability on a wide range of biological exposure indicators. The aim of this study was to adapt this existing general toxicokinetic model to three organic solvents, which were methyl ethyl ketone, 1-methoxy-2-propanol and 1,1,1,-trichloroethane, and to take into account sex differences. We assessed in a previous human volunteer study the impact of sex on different biomarkers of exposure corresponding to the three organic solvents mentioned above. Results from that study suggested that not only physiological differences between men and women but also differences due to sex hormones levels could influence the toxicokinetics of the solvents. In fact the use of hormonal contraceptive had an effect on the urinary levels of several biomarkers, suggesting that exogenous sex hormones could influence CYP2E1 enzyme activity. These experimental data were used to calibrate the toxicokinetic models developed in this study. Our results showed that it was possible to use an existing general toxicokinetic model for other compounds. In fact, most of the simulation results showed good agreement with the experimental data obtained for the studied solvents, with a percentage of model predictions that lies within the 95% confidence interval varying from 44.4 to 90%. Results pointed out that for same exposure conditions, men and women can show important differences in urinary levels of biological indicators of exposure. Moreover, when running the models by simulating industrial working conditions, these differences could even be more pronounced. In conclusion, a general and simple toxicokinetic model, adapted for three well known organic solvents, allowed us to show that metabolic parameters can have an important impact on the urinary levels of the corresponding biomarkers. These observations give evidence of an interindividual variablity, an aspect that should have its place in the approaches for setting limits of occupational exposure.

Numerical simulation of gel electrophoresis of DNA knots in weak and strong electric fields.

Gel electrophoresis allows one to separate knotted DNA (nicked circular) of equal length according to the knot type. At low electric fields, complex knots, being more compact, drift faster than simpler knots. Recent experiments have shown that the drift velocity dependence on the knot type is inverted when changing from low to high electric fields. We present a computer simulation on a lattice of a closed, knotted, charged DNA chain drifting in an external electric field in a topologically restricted medium. Using a Monte Carlo algorithm, the dependence of the electrophoretic migration of the DNA molecules on the knot type and on the electric field intensity is investigated. The results are in qualitative and quantitative agreement with electrophoretic experiments done under conditions of low and high electric fields.

Prediction of Infant Drug Exposure Through Breastfeeding: Population PK Modeling and Simulation of Fluoxetine Exposure.

The likelihood of significant exposure to drugs in infants through breast milk is poorly defined, given the difficulties of conducting pharmacokinetics (PK) studies. Using fluoxetine (FX) as an example, we conducted a proof-of-principle study applying population PK (popPK) modeling and simulation to estimate drug exposure in infants through breast milk. We simulated data for 1,000 mother-infant pairs, assuming conservatively that the FX clearance in an infant is 20% of the allometrically adjusted value in adults. The model-generated estimate of the milk-to-plasma ratio for FX (mean: 0.59) was consistent with those reported in other studies. The median infant-to-mother ratio of FX steady-state plasma concentrations predicted by the simulation was 8.5%. Although the disposition of the active metabolite, norfluoxetine, could not be modeled, popPK-informed simulation may be valid for other drugs, particularly those without active metabolites, thereby providing a practical alternative to conventional PK studies for exposure risk assessment in this population.

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.

Dépistage: principes et méthodes. [Screening: principles and methods].

The concept of early detection to then intervene and improve the prognostic seems straightforward. Applied to asymptomatic subjects, this concept--screening--is rather complex. This review presents the rational and fundamental principles of screening. It underscores the fundamental principles related to the disease and to the screening test considered, the importance of considering screening as a program rather than a test only, and the validity of measures used to evaluate the efficacy of screening. Lastly, it reviews the most frequently bias encountered in screening studies and interpretations.