Investigation and monitoring of rock slope instabilities in Norway by terrestrial laser scanning

Long-range Terrestrial Laser Scanning (TLS) is widely used in studies on rock slope instabilities. TLS point clouds allow the creation of high-resolution digital elevation models for detailed mapping of landslide morphologies and the measurement of the orientation of main discontinuities. Multi-temporal TLS datasets enable the quantification of slope displacements and rockfall volumes. We present three case studies using TLS for the investigation and monitoring of rock slope instabilities in Norway: 1) the analysis of 3D displacement of the Oksfjellet rock slope failure (Troms, northern Norway); 2) the detection and quantification of rockfalls along the sliding surfaces and at the front of the Kvitfjellet rock slope instability (Møre og Romsdal, western Norway); 3) the analysis of discontinuities and rotational movements of an unstable block at Stampa (Sogn og Fjordane, western Norway). These case studies highlight the possibilities but also limitations of TLS in investigating and monitoring unstable rock slopes.

Ferromagnetic instabilities in neutron matter at finite temperature with the Skyrme interaction

The properties of spin-polarized neutron matter are studied at both zero and finite temperature using Skyrme-type interactions. It is shown that the critical density at which ferromagnetism takes place decreases with temperature. This unexpected behavior is associated to an anomalous behavior of the entropy that becomes larger for the polarized phase than for the unpolarized one above a certain critical density. This fact is a consequence of the dependence of the entropy on the effective mass of the neutrons with different third spin component. A new constraint on the parameters of the effective Skyrme force is derived if this behavior is to be avoided.

Systematic weakly nonlinear analysis of interfacial instabilities in Hele-Shaw flows

We develop a systematic method to derive all orders of mode couplings in a weakly nonlinear approach to the dynamics of the interface between two immiscible viscous fluids in a Hele-Shaw cell. The method is completely general: it applies to arbitrary geometry and driving. Here we apply it to the channel geometry driven by gravity and pressure. The finite radius of convergence of the mode-coupling expansion is found. Calculation up to third-order couplings is done, which is necessary to account for the time-dependent Saffman-Taylor finger solution and the case of zero viscosity contrast. The explicit results provide relevant analytical information about the role that the viscosity contrast and the surface tension play in the dynamics of the system. We finally check the quantitative validity of different orders of approximation and a resummation scheme against a physically relevant, exact time-dependent solution. The agreement between the low-order approximations and the exact solution is excellent within the radius of convergence, and is even reasonably good beyond this radius.

Interfacial instabilities of a fluid annulus in a rotating Hele-Shaw cell

We have studied the interfacial instabilities experienced by a liquid annulus as it moves radially in a circular Hele-Shaw cell rotating with angular velocity Omega. The instability of the leading interface (oil displacing air) is driven by the density difference in the presence of centrifugal forcing, while the instability of the trailing interface (air displacing oil) is driven by the large viscosity contrast. A linear stability analysis shows that the stability of the two interfaces is coupled through the pressure field already at a linear level. We have performed experiments in a dry cell and in a cell coated with a thin fluid layer on each plate, and found that the stability depends substantially on the wetting conditions at the leading interface. Our experimental results of the number of fingers resulting from the instability compare well with the predictions obtained through a numerical integration of the coupled equations derived from a linear stability analysis. Deep in the nonlinear regime we observe the emission of liquid droplets through the formation of thin filaments at the tip of outgrowing fingers.

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.

An adaptive multiscale method for density-driven instabilities

Accurate modeling of flow instabilities requires computational tools able to deal with several interacting scales, from the scale at which fingers are triggered up to the scale at which their effects need to be described. The Multiscale Finite Volume (MsFV) method offers a framework to couple fine-and coarse-scale features by solving a set of localized problems which are used both to define a coarse-scale problem and to reconstruct the fine-scale details of the flow. The MsFV method can be seen as an upscaling-downscaling technique, which is computationally more efficient than standard discretization schemes and more accurate than traditional upscaling techniques. We show that, although the method has proven accurate in modeling density-driven flow under stable conditions, the accuracy of the MsFV method deteriorates in case of unstable flow and an iterative scheme is required to control the localization error. To avoid large computational overhead due to the iterative scheme, we suggest several adaptive strategies both for flow and transport. In particular, the concentration gradient is used to identify a front region where instabilities are triggered and an accurate (iteratively improved) solution is required. Outside the front region the problem is upscaled and both flow and transport are solved only at the coarse scale. This adaptive strategy leads to very accurate solutions at roughly the same computational cost as the non-iterative MsFV method. In many circumstances, however, an accurate description of flow instabilities requires a refinement of the computational grid rather than a coarsening. For these problems, we propose a modified iterative MsFV, which can be used as downscaling method (DMsFV). Compared to other grid refinement techniques the DMsFV clearly separates the computational domain into refined and non-refined regions, which can be treated separately and matched later. This gives great flexibility to employ different physical descriptions in different regions, where different equations could be solved, offering an excellent framework to construct hybrid methods.

Velocity-jump instabilities in Hele-Shaw flow of associating polymer solutions

We study fracturelike flow instabilities that arise when water is injected into a Hele-Shaw cell filled with aqueous solutions of associating polymers. We explore various polymer architectures, molecular weights, and solution concentrations. Simultaneous measurements of the finger tip velocity and of the pressure at the injection point allow us to describe the dynamics of the finger in terms of the finger mobility, which relates the velocity to the pressure gradient. The flow discontinuities, characterized by jumps in the finger tip velocity, which are observed in experiments with some of the polymer solutions, can be modeled by using a nonmonotonic dependence between a characteristic shear stress and the shear rate at the tip of the finger. A simple model, which is based on a viscosity function containing both a Newtonian and a non-Newtonian component, and which predicts nonmonotonic regions when the non-Newtonian component of the viscosity dominates, is shown to agree with the experimental data.

Farnesol-induced apoptosis in Candida albicans is mediated by Cdr1-p extrusion and depletion of intracellular glutathione.

Farnesol is a key derivative in the sterol biosynthesis pathway in eukaryotic cells previously identified as a quorum sensing molecule in the human fungal pathogen Candida albicans. Recently, we demonstrated that above threshold concentrations, farnesol is capable of triggering apoptosis in C. albicans. However, the exact mechanism of farnesol cytotoxicity is not fully elucidated. Lipophilic compounds such as farnesol are known to conjugate with glutathione, an antioxidant crucial for cellular detoxification against damaging compounds. Glutathione conjugates act as substrates for ATP-dependent ABC transporters and are extruded from the cell. To that end, this current study was undertaken to validate the hypothesis that farnesol conjugation with intracellular glutathione coupled with Cdr1p-mediated extrusion of glutathione conjugates, results in total glutathione depletion, oxidative stress and ultimately fungal cell death. The combined findings demonstrated a significant decrease in intracellular glutathione levels concomitant with up-regulation of CDR1 and decreased cell viability. However, addition of exogenous reduced glutathione maintained intracellular glutathione levels and enhanced viability. In contrast, farnesol toxicity was decreased in a mutant lacking CDR1, whereas it was increased in a CDR1-overexpressing strain. Further, gene expression studies demonstrated significant up-regulation of the SOD genes, primary enzymes responsible for defense against oxidative stress, with no changes in expression in CDR1. This is the first study describing the involvement of Cdr1p-mediated glutathione efflux as a mechanism preceding the farnesol-induced apoptotic process in C. albicans. Understanding of the mechanisms underlying farnesol-cytotoxicity in C. albicans may lead to the development of this redox-cycling agent as an alternative antifungal agent.

Conditional predictive density evaluation in the presence of instabilities

We propose new methods for evaluating predictive densities. The methods includeKolmogorov-Smirnov and Cram?r-von Mises-type tests for the correct specification ofpredictive densities robust to dynamic mis-specification. The novelty is that the testscan detect mis-specification in the predictive densities even if it appears only overa fraction of the sample, due to the presence of instabilities. Our results indicatethat our tests are well sized and have good power in detecting mis-specification inpredictive densities, even when it is time-varying. An application to density forecastsof the Survey of Professional Forecasters demonstrates the usefulness of the proposedmethodologies.

Frontshear and backshear instabilities of the mean longshore current

An analytical model based on Bowen and Holman [1989] is used to prove the existence of instabilities due to the presence of a second extremum of the background vorticity at the front side of the longshore current. The growth rate of the so-called frontshear waves depends primarily upon the frontshear but also upon the backshear and the maximum and the width of the current. Depending on the values of these parameters, either the frontshear or the backshear instabilities may dominate. Both types of waves have a cross-shore extension of the order of the width of the current, but the frontshear modes are localized closer to the coast than are the backshear modes. Moreover, under certain conditions both unstable waves have similar growth rates with close wave numbers and angular frequencies, leading to the possibility of having modulated shear waves in the alongshore direction. Numerical analysis performed on realistic current profiles confirm the behavior anticipated by the analytical model. The theory has been applied to a current profile fitted to data measured during the 1980 Nearshore Sediment Transport Studies experiment at Leadbetter Beach that has an extremum of background vorticity at the front side of the current. In this case and in agreement with field observations, the model predicts instability, whereas the theory based only on backshear instability fai led to do so.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.