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.

Analyse de dépendance des programmes à objet en utilisant les modèles probabilistes des entrées

La tâche de maintenance ainsi que la compréhension des programmes orientés objet (OO) deviennent de plus en plus coûteuses. L’analyse des liens de dépendance peut être une solution pour faciliter ces tâches d’ingénierie. Cependant, analyser les liens de dépendance est une tâche à la fois importante et difficile. Nous proposons une approche pour l'étude des liens de dépendance internes pour des programmes OO, dans un cadre probabiliste, où les entrées du programme peuvent être modélisées comme un vecteur aléatoire, ou comme une chaîne de Markov. Dans ce cadre, les métriques de couplage deviennent des variables aléatoires dont les distributions de probabilité peuvent être étudiées en utilisant les techniques de simulation Monte-Carlo. Les distributions obtenues constituent un point d’entrée pour comprendre les liens de dépendance internes entre les éléments du programme, ainsi que leur comportement général. Ce travail est valable dans le cas où les valeurs prises par la métrique dépendent des entrées du programme et que ces entrées ne sont pas fixées à priori. Nous illustrons notre approche par deux études de cas.

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.

Modeling the heterogeneous ice and gas coma of Comet 103P/Hartley 2

The spectacular images of Comet 103P/Hartley 2 recorded by the Medium Resolution Instrument (MRI) and High Resolution Instrument (HRI) on board of the Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation (EPOXI) spacecraft, as the Deep Impact extended mission, revealed that its bi-lobed very active nucleus outgasses volatiles heterogeneously. Indeed, CO2 is the primary driver of activity by dragging out chunks of pure ice out of the nucleus from the sub-solar lobe that appear to be the main source of water in Hartley 2's coma by sublimating slowly as they go away from the nucleus. However, water vapor is released by direct sublimation of the nucleus at the waist without any significant amount of either CO2 or icy grains. The coma structure for a comet with such areas of diverse chemistry differs from the usual models where gases are produced in a homogeneous way from the surface. We use the fully kinetic Direct Simulation Monte Carlo model of Tenishev et al. (Tenishev, V.M., Combi, M.R., Davidsson, B. [2008]. Astrophys. J. 685, 659-677; Tenishev, V.M., Combi, M.R., Rubin, M. [2011]. Astrophys. J. 732, 104-120) applied to Comet 103P/Hartley 2 including sublimating icy grains to reproduce the observations made by EPOXI and ground-based measurements. A realistic bi-lobed nucleus with a succession of active areas with different chemistry was included in the model enabling us to study in details the coma of Hartley 2. The different gas production rates from each area were found by fitting the spectra computed using a line-by-line non-LTE radiative transfer model to the HRI observations. The presence of icy grains with long lifetimes, which are pushed anti-sunward by radiation pressure, explains the observed OH asymmetry with enhancement on the night side of the coma.

The spatial distribution of water in the inner coma of Comet 9P/Tempel 1: Comparison between models and observations

The near nucleus coma of Comet 9P/Tempel 1 has been simulated with the 3D Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) code PDSC++ (Su, C.-C. [2013]. Parallel Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methods for Modeling Rarefied Gas Dynamics. PhD Thesis, National Chiao Tung University, Taiwan) and the derived column densities have been compared to observations of the water vapour distribution found by using infrared imaging spectrometer on the Deep Impact spacecraft (Feaga, L.M., A’Hearn, M.F., Sunshine, J.M., Groussin, O., Farnham, T.L. [2007]. Icarus 191(2), 134–145. http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2007.04.038). Modelled total production rates are also compared to various observations made at the time of the Deep Impact encounter. Three different models were tested. For all models, the shape model constructed from the Deep Impact observations by Thomas et al. (Thomas, P.C., Veverka, J., Belton, M.J.S., Hidy, A., A’Hearn, M.F., Farnham, T.L., et al. [2007]. Icarus, 187(1), 4–15. http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2006.12.013) was used. Outgassing depending only on the cosine of the solar insolation angle on each shape model facet is shown to provide an unsatisfactory model. Models constructed on the basis of active areas suggested by Kossacki and Szutowicz (Kossacki, K., Szutowicz, S. [2008]. Icarus, 195(2), 705–724. http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2007.12.014) are shown to be superior. The Kossacki and Szutowicz model, however, also shows deficits which we have sought to improve upon. For the best model we investigate the properties of the outflow.

Relating in situ gas measurements to the surface outgassing properties of cometary nuclei

The sensitivity of the gas flow field to changes in different initial conditions has been studied for the case of a highly simplified cometary nucleus model. The nucleus model simulated a homogeneously outgassing sphere with a more active ring around an axis of symmetry. The varied initial conditions were the number density of the homogeneous region, the surface temperature, and the composition of the flow (varying amounts of H2O and CO2) from the active ring. The sensitivity analysis was performed using the Polynomial Chaos Expansion (PCE) method. Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) was used for the flow, thereby allowing strong deviations from local thermal equilibrium. The PCE approach can be used to produce a sensitivity analysis with only four runs per modified input parameter and allows one to study and quantify non-linear responses of measurable parameters to linear changes in the input over a wide range. Hence the PCE allows one to obtain a functional relationship between the flow field properties at every point in the inner coma and the input conditions. It is for example shown that the velocity and the temperature of the background gas are not simply linear functions of the initial number density at the source. As probably expected, the main influence on the resulting flow field parameter is the corresponding initial parameter (i.e. the initial number density determines the background number density, the temperature of the surface determines the flow field temperature, etc.). However, the velocity of the flow field is also influenced by the surface temperature while the number density is not sensitive to the surface temperature at all in our model set-up. Another example is the change in the composition of the flow over the active area. Such changes can be seen in the velocity but again not in the number density. Although this study uses only a simple test case, we suggest that the approach, when applied to a real case in 3D, should assist in identifying the sensitivity of gas parameters measured in situ by, for example, the Rosetta spacecraft to the surface boundary conditions and vice versa.

Understanding measured water rotational temperatures and column densities in the very innermost coma of Comet 73P/Schwassmann–Wachmann 3 B

Direct sublimation of a comet nucleus surface is usually considered to be the main source of gas in the coma of a comet. However, evidence from a number of comets including the recent spectacular images of Comet 103P/Hartley 2 by the EPOXI mission indicates that the nucleus alone may not be responsible for all, or possibly at times even most, of the total amount of gas seen in the coma. Indeed, the sublimation of icy grains, which have been injected into the coma, appears to constitute an important source. We use the fully-kinetic Direct Simulation Monte Carlo model of Tenishev et al. (Tenishev, V.M., Combi, M.R., Davidsson, B. [2008]. Astrophys. J., 685, 659−677; Tenishev, V.M., Combi, M.R., Rubin, M. [2011]. Astrophys. J., 732) to reproduce the measurements of column density and rotational temperature of water in Comet 73P-B/Schwassmann–Wachmann 3 obtained with a very high spatial resolution of ∼30 km using IRCS/Subaru in May 2006 (Bonev, B.P., Mumma, M.J., Kawakita, H., Kobayashi, H., Villanueva, G.L. [2008]. Icarus, 196, 241−248). For gas released solely from the cometary nucleus at a heliocentric distance of 1 AU, modeled rotational temperatures start at 110 K close to the surface and decrease to only several tens of degrees by 10–20 nucleus radii. However, the measured decay of both rotational temperature and column density with distance from the nucleus is much slower than predicted by this simple model. The addition of a substantial (distributed) source of gas from icy grains in the model slows the decay in rotational temperature and provides a more gradual drop in column density profiles. Together with a contribution of rotational heating of water molecules by electrons, the combined effects allow a much better match to the IRCS/Subaru observations. From the spatial distributions of water abundance and temperature measured in 73P/SW3-B, we have identified and quantified multiple mechanisms of release. The application of this tool to other comets may permit such studies over a range of heliocentric and geocentric distances.