Kinetic studies of gas flows

Our recent studies on kinetic behaviors of gas flows are reviewed in this paper. These flows have a wide range of background, but share a common feature that the flow Knudsen number is larger than 0.01. Thus kinetic approaches such as the direct simulation Monte Carlo method are required for their description. In the past few years, we studied several micro/nano-scale flows by developing novel particle simulation approach, and investigated the flows in low-pressure chambers and at high altitude. In addition, the microscopic behaviors of a couple of classical flow problems were analyzed, which shows the potential for kinetic approaches to reveal the microscopic mechanism of gas flows.

Exact solutions to collisionless external gas flows

This paper presents exact density, velocity and temperature solutions for two problems of collisionless gas flows around a flat plate or a spherical object. At any point off the object, the local velocity distribution function consists of two pieces of Maxwellian distributions: one for the free stream which is characterized by free stream density, temperature and average velocity, n0, T0, U0; and the other is for the wall and it is characterized by density at wall and wall temperature, nw,Tw. Directly integrating the distribution functions leads to complex but exact flowfield solutions. To validate these solutions, we perform numerical simulations with the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. In general, the analytical and numerical results are virtually identical. The evaluation of these analytical solutions only requires less than one minute while the DSMC simulations require several days.

Development of an efficient particle approach for micro-scale gas flow simulations

The micro-scale gas flows are usually low-speed flows and exhibit rarefied gas effects. It is challenging to simulate these flows because traditional CFD method is unable to capture the rarefied gas effects and the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method is very inefficient for low-speed flows. In this study we combine two techniques to improve the efficiency of the DSMC method. The information preservation technique is used to reduce the statistical noise and the cell-size relaxed technique is employed to increase the effective cell size. The new cell-size relaxed IP method is found capable of simulating micro-scale gas flows as shown by the 2D lid-driven cavity flows.

IP方法模拟硬盘读写头气膜润滑问题

本论文中采用IP方法模拟硬盘读写头的气膜润滑问题，并选择耗时但精准的DSMC方法作为该问题中IP方法的检验标准，IP方法计算得到的读写头表面压力分布及读写头所受净升力为读写头的设计提供可靠的参考数据。 首先，将读写头复杂表面简化为平面并假定尺寸为微米（远小于真实的毫米），微米尺寸时可以得到DSMC的模拟结果用于比较。IP法对该问题的模拟结果与DSMC的模拟结果完全吻合。 其次，选定一个真实的读写头表面几何，但仍然假定尺寸为微米。IP法在该问题的应用过程中遇到四点困难，我们提出或采取了相应的解决办法。在复杂表面几何的读写头气膜润滑问题中，IP法的模拟结果与DSMC的模拟结果也相符一致。 最后完成真实几何、真实尺寸（毫米）的读写头气膜润滑问题的模拟，这也是本论文的最终研究目标。IP法模拟该问题时需要采用大网格，为此我们构造二维检验模型验证了大网格的合理性。 真实几何读写头气膜润滑问题的模拟结果表明，在流场的局部区域压力沿着高度方向变化显著，这意味着读写头问题的传统计算方法（即概括性雷诺方程）在该局部区域不成立，故用它计算得到的结果值得认真检验，但文献中尚未给出过这类检验。这正是该论文的研究背景和采用新方法（IP方法）的原因。 本论文研究的问题属于过渡领域、低速流动问题，故本论文还介绍了该领域另外一种粒子模拟方法（LVDSMC方法）以及我们对该方法提出的一些改进。 关键词：硬盘读写头，气膜润滑，概括性雷诺方程，IP方法，DSMC方法，过渡领域，LVDSMC方法

蒙特卡罗模拟四极阱中原子的参变激发

在中性原子的磁囚禁实验中,磁阱线圈的电流噪声会激发磁阱中的原子运动,势必对原子团的温度和寿命产生不可忽视的影响。对于非简谐阱,这种激发具有能量选择特性,它又取决于电流噪声的频谱分布。选择了实验中常用的四极阱为研究对象,用直接模拟蒙特卡罗方法来模拟四极阱中原子运动的参变激发现象,得到了原子温度与原子数损失随激发频率的变化关系,并进一步计算了两个共振峰处原子温度随调制时间和调制深度的变化曲线。此外,还研究了弹性碰撞速率对参变激发过程中原子温度上升的影响。这些结果对四极阱参变激发的实验有较好的参考价值。

Effects of convection and solid wall on the diffusion in microscale convection flows

The diffusive transport properties in microscale convection flows are studied by using the direct simulation Monte Carlo method. The effective diffusion coefficient D is computed from the mean square displacements of simulated molecules based on the Einstein diffusion equation D = x2 t /2t. Two typical convection flows, namely, thermal creep convection and Rayleigh– Bénard convection, are investigated. The thermal creep convection in our simulation is in the noncontinuum regime, with the characteristic scale of the vortex varying from 1 to 100 molecular mean free paths. The diffusion is shown to be enhanced only when the vortex scale exceeds a certain critical value, while the diffusion is reduced when the vortex scale is less than the critical value. The reason for phenomenon of diffusion reduction in the noncontinuum regime is that the reduction effect due to solid wall is dominant while the enhancement effect due to convection is negligible. A molecule will lose its memory of macroscopic velocity when it collides with the walls, and thus molecules are hard to diffuse away if they are confined between very close walls. The Rayleigh– Bénard convection in our simulation is in the continuum regime, with the characteristic length of 1000 molecular mean free paths. Under such condition, the effect of solid wall on diffusion is negligible. The diffusion enhancement due to convection is shown to scale as the square root of the Péclet number in the steady convection regime, which is in agreement with previous theoretical and experimental results. In the oscillation convection regime, the diffusion is more strongly enhanced because the molecules can easily advect from one roll to its neighbor due to an oscillation mechanism. © 2010 American Institute of Physics. doi:10.1063/1.3528310

对LVDSMC方法的改进(英文)

最近,Homolle和Hadjiconstantinu提出了新的粒子模拟方法———LVDSMC方法[1],该方法采用了减少方差的思想从而提高了低速流动问题中的计算效率。本文针对LVDSMC方法提出两点改进:第一,除了方法中原来已采用的偏差粒子,在计算近自由分子流问题时建议额外地采用一些辅助粒子,从而可以约束计算过程中原始算法在生成偏差粒子时计算误差的累积效应;第二,提出一个可选的用于计算潜在Maxwell Boltzmann分布函数中的速度参数的增量,从而使得表面的应力及热流的计算变得简单。

Kinetic Studies of Gas Flows

Our recent studies on kinetic behaviors of gas flows are reviewed in this paper. These flows have a wide range of background, but share a common feature that the flow Knudsen number is larger than 0.01. Thus kinetic approaches such as the direct simulation Monte Carlo method are required for their description. In the past few years, we studied several micro/nano-scale flows by developing novel particle simulation approach, and investigated the flows in low-pressure chambers and at high altitude. In addition, the microscopic behaviors of a couple of classical flow problems were analyzed, which shows the potential for kinetic approaches to reveal the microscopic mechanism of gas flows.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

É́tude sur la cinétique des défauts structuraux dans le silicium amorphe.

Cette thèse présente à la fois des résultats de simulations numériques en plus de ré- sultats expérimentaux obtenus en laboratoire sur le rôle joué par les défauts de structure dans le silicium amorphe. Nos travaux de simulation numérique furent réalisés avec une nouvelle méthode de simulation Monte-Carlo cinétique pour décrire l’évolution tempo- relle de modèles de silicium amorphe endommagés sur plusieurs échelles de temps jus- qu’à une seconde à la température pièce. Ces simulations montrent que les lacunes dans le silicium amorphe sont instables et ne diffusent pas sans être détruites. Nous montrons également que l’évolution d’un modèle de silicium amorphe endommagé par une colli- sion ionique lors d’un recuit peut être divisée en deux phases : la première est dominée exclusivement par la diffusion et la création/destruction de défauts de liaison, alors que la deuxième voit les créations/destructions de liens remplacées par des échanges de liens entre atomes parfaitement coordonnés. Les défauts ont aussi un effet sur la viscosité du silicium amorphe. Afin d’approfondir cette question, nous avons mesuré la viscosité du silicium amorphe et du silicium amorphe hydrogéné sous l’effet d’un faisceau d’ions. Nous montrons que la variation de la viscosité dans les deux matériaux est différente : le silicium amorphe hydrogéné a une viscosité constante en fonction de la fluence des ions alors que le silicium amorphe pur a une viscosité qui augmente de façon linéaire. Pour de faibles fluences, la viscosité du silicium hydrogéné est plus grande que la viscosité sans hydrogène. La présence d’hydrogène diminue également l’amplitude de la variation logarithmique de la contrainte observée lors de la relaxation à la température de la pièce.

Étude et caractérisation de détecteurs à liquide en surchauffe

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE.

Approche bayésienne de la construction d'intervalles de crédibilité simultanés à partir de courbes simulées

Ce mémoire porte sur la simulation d'intervalles de crédibilité simultanés dans un contexte bayésien. Dans un premier temps, nous nous intéresserons à des données de précipitations et des fonctions basées sur ces données : la fonction de répartition empirique et la période de retour, une fonction non linéaire de la fonction de répartition. Nous exposerons différentes méthodes déjà connues pour obtenir des intervalles de confiance simultanés sur ces fonctions à l'aide d'une base polynomiale et nous présenterons une méthode de simulation d'intervalles de crédibilité simultanés. Nous nous placerons ensuite dans un contexte bayésien en explorant différents modèles de densité a priori. Pour le modèle le plus complexe, nous aurons besoin d'utiliser la simulation Monte-Carlo pour obtenir les intervalles de crédibilité simultanés a posteriori. Finalement, nous utiliserons une base non linéaire faisant appel à la transformation angulaire et aux splines monotones pour obtenir un intervalle de crédibilité simultané valide pour la période de retour.

Planning accelerated life tests under Exponentiated-Weibull-Arrhenius model

Purpose - The purpose of this paper is to present designs for an accelerated life test (ALT). Design/methodology/approach - Bayesian methods and simulation Monte Carlo Markov Chain (MCMC) methods were used. Findings - In the paper a Bayesian method based on MCMC for ALT under EW distribution (for life time) and Arrhenius models (relating the stress variable and parameters) was proposed. The paper can conclude that it is a reasonable alternative to the classical statistical methods since the implementation of the proposed method is simple, not requiring advanced computational understanding and inferences on the parameters can be made easily. By the predictive density of a future observation, a procedure was developed to plan ALT and also to verify if the conformance fraction of the manufactured process reaches some desired level of quality. This procedure is useful for statistical process control in many industrial applications. Research limitations/implications - The results may be applied in a semiconductor manufacturer. Originality/value - The Exponentiated-Weibull-Arrhenius model has never before been used to plan an ALT. © Emerald Group Publishing Limited.

Eficiência econômica e energética de sistemas de produção de mamona nos estados de Minas Gerais e Paraná

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Eficiência energética de sistemas de produção de mamona no Estado de Minas Gerais

The objective of this study is to determine the economical and energetic efficiency of the castor bean culture in "Zona da Mata" and South of Minas Gerais. Through the method of simulation "Monte Carlo", we verified the probabilities of occurrence of the economical, cultural and energetic efficiency indexes. In relation to the production systems of castor bean in Minas Gerais in the season 2005/2006, we established that the variables price and productivity were the most noticeable for the producers from "Zona da Mata", while in the South of Minas it was productivity. We verified that the probability of the economical efficiency index to be lower than one was 43,26% for the producers from "Zona da Mata" and 39,57% for the ones from the South of Minas. The medium price received covered the medium costs of production. However, we observed that the medium costs in these regions of Minas Gerais, were over the minimum price. Regarding the energetic analysis, the results showed that the systems in the regions studied in Minas Gerasi, presented average of cultural efficiency indexes of 8,26 and 18,89. We concluded that despite the result being favorable from the energetic point of view, from the economical sustainability point of view there is the need of a more effective support policy for the castor bean, taking into consideration that the expectations of the producers with PNPB were not confirmed.