A multilevel multiscale finite volume method

The Multiscale Finite Volume (MsFV) method has been developed to efficiently solve reservoir-scale problems while conserving fine-scale details. The method employs two grid levels: a fine grid and a coarse grid. The latter is used to calculate a coarse solution to the original problem, which is interpolated to the fine mesh. The coarse system is constructed from the fine-scale problem using restriction and prolongation operators that are obtained by introducing appropriate localization assumptions. Through a successive reconstruction step, the MsFV method is able to provide an approximate, but fully conservative fine-scale velocity field. For very large problems (e.g. one billion cell model), a two-level algorithm can remain computational expensive. Depending on the upscaling factor, the computational expense comes either from the costs associated with the solution of the coarse problem or from the construction of the local interpolators (basis functions). To ensure numerical efficiency in the former case, the MsFV concept can be reapplied to the coarse problem, leading to a new, coarser level of discretization. One challenge in the use of a multilevel MsFV technique is to find an efficient reconstruction step to obtain a conservative fine-scale velocity field. In this work, we introduce a three-level Multiscale Finite Volume method (MlMsFV) and give a detailed description of the reconstruction step. Complexity analyses of the original MsFV method and the new MlMsFV method are discussed, and their performances in terms of accuracy and efficiency are compared.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

ENaC-mediated alveolar fluid clearance and lung fluid balance depend on the channel-activating protease 1.

Sodium transport via epithelial sodium channels (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells (AEC) provides the driving force for removal of fluid from the alveolar space. The membrane-bound channel-activating protease 1 (CAP1/Prss8) activates ENaC in vitro in various expression systems. To study the role of CAP1/Prss8 in alveolar sodium transport and lung fluid balance in vivo, we generated mice lacking CAP1/Prss8 in the alveolar epithelium using conditional Cre-loxP-mediated recombination. Deficiency of CAP1/Prss8 in AEC induced in vitro a 40% decrease in ENaC-mediated sodium currents. Sodium-driven alveolar fluid clearance (AFC) was reduced in CAP1/Prss8-deficient mice, due to a 48% decrease in amiloride-sensitive clearance, and was less sensitive to beta(2)-agonist treatment. Intra-alveolar treatment with neutrophil elastase, a soluble serine protease activating ENaC at the cell surface, fully restored basal AFC and the stimulation by beta(2)-agonists. Finally, acute volume-overload increased alveolar lining fluid volume in CAP1/Prss8-deficient mice. This study reveals that CAP1 plays a crucial role in the regulation of ENaC-mediated alveolar sodium and water transport and in mouse lung fluid balance.

Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.

Modified Sheet Pile Abutments for Low-Volume Road Bridges, January 2012

To date there have been few investigations of the substructures in low-volume road (LVR) bridges. Steel sheet piling has the potential to provide an economical alternative to concrete bridge abutments, but it needs investigation with regard to vertical and lateral load resistance, construction methods, and performance monitoring. The objectives of this project were to develop a design approach for sheet pile bridge abutments for short-span low-volume bridges, formulate an instrumentation and monitoring plan to evaluate performance of sheet pile abutment systems, and understand the cost and construction effort associated with building the sheet pile bridge abutment demonstration project. Three demonstration projects (Boone, Blackhawk, and Tama Counties) were selected for the design, construction, and monitoring of sheet pile abutments bridges. Each site was unique and required site-specific design and instrumentation monitoring. The key findings from this study include the following: (1) sheet pile abutment bridges provide an effective solution for LVR bridges, (2) the measured stresses and deflection were different from the assumed where the differences reflect conservatism in the design and the complex field conditions, and (3) additional research is needed to optimize the design.

Modified Sheet Pile Abutments for Low-Volume Road Bridges: Tech Transfer Summary, January 2012

Iowa has about 22,936 bridges on low-volume roads (LVRs). Based on the National Bridge Inventory data, 22 percent of the LVR bridges in Iowa are structurally deficient, while 5 percent of them are functionally obsolete. The substructure components (abutment and foundation elements) are known to be contributing factors for some of these poor ratings. Steel sheet piling was identified as a possible long-term option for LVR bridge substructures; but, due to lack of experience, Iowa needed investigation with regard to vertical and lateral load resistance, construction methods, design methodology, and load test performance. This project was initiated in January 2007 to investigate use of sheet pile abutments. *************Tech Transfer Summary. For full report see: http://publications.iowa.gov/id/eprint/14832*************

Evaluation of Mitigation for Safety Concerns on Low-Volume, Unpaved Rural Roads, 2013.

The Institute for Transportation (InTrans) at Iowa State University completed work on an in-depth study of crash history on lowvolume, rural roads in Iowa in December 2010. Results indicated that unpaved roads with traffic volumes greater than 100 vehicles per day (vpd) exhibit significantly higher crash frequencies, rates, and densities than any other class of low-volume road examined, paved or unpaved. The total mileage for this class of roadway in Iowa is only about 4,400 miles, spread over 99 counties in the state, which is certainly a manageable number of miles for individual rural agencies. The purpose of this study was to identify and examine several unpaved, local road segments with higher than average crash frequencies, select and undertake potentially-beneficial mitigation, and evaluate the results as time allowed. A variety of low-cost options were considered, including engineering improvements, enhanced efforts by law enforcement, and educational initiatives. Using input, active support, and participation from local agencies and state and Federal safety advocates, the study afforded a unique opportunity to examine useful tools for local rural agencies to utilize in addressing safety on this particular type of roadway.

Evaluation of Mitigation for Safety Concerns on Low-Volume, Unpaved Rural Roads: Tech Transfer Summary, 2013.

The Institute for Transportation (InTrans) at Iowa State University completed work on an in-depth study of crash history on lowvolume, rural roads in Iowa in December 2010. Results indicated that unpaved roads with traffic volumes greater than 100 vehicles per day (vpd) exhibit significantly higher crash frequencies, rates, and densities than any other class of low-volume road examined, paved or unpaved. The total mileage for this class of roadway in Iowa is only about 4,400 miles, spread over 99 counties in the state, which is certainly a manageable number of miles for individual rural agencies. The purpose of this study was to identify and examine several unpaved, local road segments with higher than average crash frequencies, select and undertake potentially-beneficial mitigation, and evaluate the results as time allowed. A variety of low-cost options were considered, including engineering improvements, enhanced efforts by law enforcement, and educational initiatives. Using input, active support, and participation from local agencies and state and Federal safety advocates, the study afforded a unique opportunity to examine useful tools for local rural agencies to utilize in addressing safety on this particular type of roadway.

Changes in volume, surface estimate, three-dimensional shape and total number of neurons of the human primary visual cortex from midgestation until old age.

Macroscopic features such as volume, surface estimate, thickness and caudorostral length of the human primary visual cortex (Brodman's area 17) of 46 human brains between midgestation and 93 years were studied by means of camera lucida drawings from serial frontal sections. Individual values were best fitted by a logistic function from midgestation to adulthood and by a regression line between adulthood and old age. Allometric functions were calculated to study developmental relationships between all the features. The three-dimensional shape of area 17 was also reconstructed from the serial sections in 15 cases and correlated with the sequence of morphological events. The sulcal pattern of area 17 begins to develop around 21 weeks of gestation but remains rather simple until birth, while it becomes more convoluted, particularly in the caudal part, during the postnatal period. Until birth, a large increase in cortical thickness (about 83% of its mean adult value) and caudorostral length (69%) produces a moderate increase in cortical volume (31%) and surface estimate (40%) of area 17. After birth, the cortical volume and surface undergo their maximum growth rate, in spite of a rather small increase in cortical thickness and caudorostral length. This is due to the development of the pattern of gyrification within and around the calcarine fissure. All macroscopic features have reached the mean adult value by the end of the first postnatal year. With aging, the only features to undergo significant regression are the cortical surface estimate and the caudorostral length. The total number of neurons in area 17 shows great interindividual variability at all ages. No decrease in the postnatal period or in aging could be demonstrated.

IRENE newsletter. Volume 1, number 1 (Spring/Summer 2007)

IRENE’s mission is to improve the health and well-being of Iowans through collaboration in practice-based research on questions important to primary care physicians and their patients. IRENE’s purpose is to create and foster a network of research collaboration between the academic medical center and primary care physicians through out the state of Iowa with a particular focus on improving rural health.