Simple method for the simulation of multiple elastic scattering of electrons

A screened Rutherford cross section is modified by means of a correction factor to obtain the proper transport cross section computed by partial¿wave analysis. The correction factor is tabulated for electron energies in the range 0¿100 keV and for elements in the range from Z=4 to 82. The modified screened Rutherford cross section is shown to be useful as an approximation for the simulation of plural and multiple scattering. Its performance and limitations are exemplified for electrons scattered in Al and Au.

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.

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.

Magnetic microstructures from magnetic force microscopy and Monte Carlo simulation in CoFe-Ag-Cu granular films

CoFe-Ag-Cu granular films, prepared by rf sputtering, displayed magnetic domain microstructures for ferromagnetic concentrations above about 32% at, and below the percolation threshold. All samples have a fcc structure with an (111) texture perpendicular to the film plane. Magnetic force microscopy (MFM) showed a variety of magnetic domain microstructures, extremely sensitive to the magnetic history of the sample, which arise from the balance of the ferromagnetic exchange, the dipolar interactions and perpendicular magnetocrystalline anisotropy, MFM images indicate that in virgin samples, magnetic bubble domains with an out-of-plane component of the magnetization are surrounded by a quasicontinuous background of opposite magnetization domains. The application of a magnetic field in different geometries drastically modifies the microstructure of the system in the remanent state: i) for an in-plane field, the MFM images show that most of the magnetic moments are aligned along the film plane, ii) for an out-of-plane field, the MFM signal increases about one order of magnitude, and out-of-plane striped domains with alternating up and down magnetization are stabilized. Numerical simulations show that a variety of metastable domain structures (similar to those observed experimentally) can be reached, depending on magnetic history, in systems with competing perpendicular anisotropy, exchange and dipolar interactions.

Computer simulation study of liquid lithium at 470 and 843 K

Both structural and dynamical properties of 7Li at 470 and 843 K are studied by molecular dynamics simulation and the results are comapred with the available experimental data. Two effective interatomic potentials are used, i.e., a potential derived from the Ashcroft pseudopotential [Phys. Lett. 23, 48 (1966)] and a recently proposed potential deduced from the neutral pseudoatom method [J. Phys.: Condens. Matter 5, 4283 (1993)]. Although the shape of the two potential functions is very different, the majority of the properties calculated from them are very similar. The differences among the results using the two interaction models are carefully discussed.

Self-dynamic structure factor of dense liquids: Theory and simulation

The self-intermediate dynamic structure factor Fs(k,t) of liquid lithium near the melting temperature is calculated by molecular dynamics. The results are compared with the predictions of several theoretical approaches, paying special attention to the Lovesey model and the Wahnstrm and Sjgren mode-coupling theory. To this end the results for the Fs(k,t) second memory function predicted by both models are compared with the ones calculated from the simulations.

Magnetic relaxation of a one-dimensional model for small particle systems with dipolar interactions: Monte Carlo simulation

Atribution as a function of the time are analyzed and this study leads to a deeper knowledge of the microscopic processes involved in the magnetic relaxation

Understanding and modulating the competitive surface-adsorption of proteins through coarse-grained molecular dynamics simulations

It is now well accepted that cellular responses to materials in a biological medium reflect greatly the adsorbed biomolecular layer, rather than the material itself. Here, we study by molecular dynamics simulations the competitive protein adsorption on a surface (Vroman effect), i.e. the non-monotonic behavior of the amount of protein adsorbed on a surface in contact with plasma as functions of contact time and plasma concentration. We find a complex behavior, with regimes during which small and large proteins are not necessarily competing between them, but are both competing with others in solution ("cooperative" adsorption). We show how the Vroman effect can be understood, controlled and inverted.

Diffusive transport properties in monovalent and divalent metal-ion halide melts: A computer simulation study

Self- and cross-velocity correlation functions and related transport coefficients of molten salts are studied by molecular-dynamics simulation. Six representative systems are considered, i.e., NaCl and KCl alkali halides, CuCl and CuBr noble-metal halides, and SrCl2 and ZnCl2 divalent metal-ion halides. Computer simulation results are compared with experimental self-diffusion coefficients and electrical conductivities. Special attention is paid to dynamic cross correlations and their dependence on the Coulomb interactions as well as on the size and mass differences between anions and cations.

Monte Carlo simulation of a whole-body counter using IGOR phantoms.

Whole-body counting is a technique of choice for assessing the intake of gamma-emitting radionuclides. An appropriate calibration is necessary, which is done either by experimental measurement or by Monte Carlo (MC) calculation. The aim of this work was to validate a MC model for calibrating whole-body counters (WBCs) by comparing the results of computations with measurements performed on an anthropomorphic phantom and to investigate the effect of a change in phantom's position on the WBC counting sensitivity. GEANT MC code was used for the calculations, and an IGOR phantom loaded with several types of radionuclides was used for the experimental measurements. The results show a reasonable agreement between measurements and MC computation. A 1-cm error in phantom positioning changes the activity estimation by >2%. Considering that a 5-cm deviation of the positioning of the phantom may occur in a realistic counting scenario, this implies that the uncertainty of the activity measured by a WBC is ∼10-20%.

Simulation of interface dynamics across pore discontinuities

We study the dynamics of a water-oil meniscus moving from a smaller to a larger pore. The process is characterised by an abrupt change in the configuration, yielding a sudden energy release. A theoretic study for static conditions provides analytical solutions of the surface energy content of the system. Although the configuration after the sudden energy release is energetically more convenient, an energy barrier must be overcome before the process can happen spontaneously. The energy barrier depends on the system geometry and on the flow parameters. The analytical results are compared to numerical simulations that solve the full Navier-Stokes equation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. First, the numerical simulations of a quasi-static process are validated by comparison with the analytical solutions for a static meniscus, then numerical simulations with varying injection velocity are used to investigate dynamic effects on the configuration change. During the sudden energy jump the system exhibits an oscillatory behaviour. Extension to more complex geometries might elucidate the mechanisms leading to a dynamic capillary pressure and to bifurcations in final distributions of fluid phases in porous