Monte Carlo radiation hydrodynamics:Methods, tests and application to Type Ia supernova ejecta

In astrophysical systems, radiation-matter interactions are important in transferring energy and momentum between the radiation field and the surrounding material. This coupling often makes it necessary to consider the role of radiation when modelling the dynamics of astrophysical fluids. During the last few years, there have been rapid developments in the use of Monte Carlo methods for numerical radiative transfer simulations. Here, we present an approach to radiation hydrodynamics that is based on coupling Monte Carlo radiative transfer techniques with finite-volume hydrodynamical methods in an operator-split manner. In particular, we adopt an indivisible packet formalism to discretize the radiation field into an ensemble of Monte Carlo packets and employ volume-based estimators to reconstruct the radiation field characteristics. In this paper the numerical tools of this method are presented and their accuracy is verified in a series of test calculations. Finally, as a practical example, we use our approach to study the influence of the radiation-matter coupling on the homologous expansion phase and the bolometric light curve of Type Ia supernova explosions. © 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society © 2012 RAS.

Quantum annealing of an ising spin-glass by Green's function Monte Carlo

We present an implementation of quantum annealing (QA) via lattice Green's function Monte Carlo (GFMC), focusing on its application to the Ising spin glass in transverse field. In particular, we study whether or not such a method is more effective than the path-integral Monte Carlo- (PIMC) based QA, as well as classical simulated annealing (CA), previously tested on the same optimization problem. We identify the issue of importance sampling, i.e., the necessity of possessing reasonably good (variational) trial wave functions, as the key point of the algorithm. We performed GFMC-QA runs using such a Boltzmann-type trial wave function, finding results for the residual energies that are qualitatively similar to those of CA (but at a much larger computational cost), and definitely worse than PIMC-QA. We conclude that, at present, without a serious effort in constructing reliable importance sampling variational wave functions for a quantum glass, GFMC-QA is not a true competitor of PIMC-QA.

Hybrid fuzzy Monte Carlo technique for reliability assessment in transmission power systems

This paper proposes a new methodology to reduce the probability of occurring states that cause load curtailment, while minimizing the involved costs to achieve that reduction. The methodology is supported by a hybrid method based on Fuzzy Set and Monte Carlo Simulation to catch both randomness and fuzziness of component outage parameters of transmission power system. The novelty of this research work consists in proposing two fundamentals approaches: 1) a global steady approach which deals with building the model of a faulted transmission power system aiming at minimizing the unavailability corresponding to each faulted component in transmission power system. This, results in the minimal global cost investment for the faulted components in a system states sample of the transmission network; 2) a dynamic iterative approach that checks individually the investment’s effect on the transmission network. A case study using the Reliability Test System (RTS) 1996 IEEE 24 Buses is presented to illustrate in detail the application of the proposed methodology.

Fuzzy Monte Carlo mathematical model for load curtailment minimization in transmission power systems

This paper presents a methodology which is based on statistical failure and repair data of the transmission power system components and uses fuzzyprobabilistic modeling for system component outage parameters. Using statistical records allows developing the fuzzy membership functions of system component outage parameters. The proposed hybrid method of fuzzy set and Monte Carlo simulation based on the fuzzy-probabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. A network contingency analysis to identify any overloading or voltage violation in the network is performed once obtained the system states by Monte Carlo simulation. This is followed by a remedial action algorithm, based on optimal power flow, to reschedule generations and alleviate constraint violations and, at the same time, to avoid any load curtailment, if possible, or, otherwise, to minimize the total load curtailment, for the states identified by the contingency analysis. In order to illustrate the application of the proposed methodology to a practical case, the paper will include a case study for the Reliability Test System (RTS) 1996 IEEE 24 BUS.

Logic programming and fuzzy Monte Carlo for distribution network reconfiguration

This paper present a methodology to choose the distribution networks reconfiguration that presents the lower power losses. The proposed methodology is based on statistical failure and repair data of the distribution power system components and uses fuzzy-probabilistic modeling for system component outage parameters. The proposed hybrid method using fuzzy sets and Monte Carlo simulation based on the fuzzyprobabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. A logic programming algorithm is applied, once obtained the system states by Monte Carlo Simulation, to get all possible reconfigurations for each system state. To evaluate the line flows and bus voltages and to identify if there is any overloading, and/or voltage violation an AC load flow has been applied to select the feasible reconfiguration with lower power losses. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study that considers a 115 buses distribution network.

Le progiciel PoweR : un outil de recherche reproductible pour faciliter les calculs de puissance de certains tests d'hypothèses au moyen de simulations de Monte Carlo

Notre progiciel PoweR vise à faciliter l'obtention ou la vérification des études empiriques de puissance pour les tests d'ajustement. En tant que tel, il peut être considéré comme un outil de calcul de recherche reproductible, car il devient très facile à reproduire (ou détecter les erreurs) des résultats de simulation déjà publiés dans la littérature. En utilisant notre progiciel, il devient facile de concevoir de nouvelles études de simulation. Les valeurs critiques et puissances de nombreuses statistiques de tests sous une grande variété de distributions alternatives sont obtenues très rapidement et avec précision en utilisant un C/C++ et R environnement. On peut même compter sur le progiciel snow de R pour le calcul parallèle, en utilisant un processeur multicœur. Les résultats peuvent être affichés en utilisant des tables latex ou des graphiques spécialisés, qui peuvent être incorporés directement dans vos publications. Ce document donne un aperçu des principaux objectifs et les principes de conception ainsi que les stratégies d'adaptation et d'extension.

Étude des artefacts en tomodensitométrie par simulation Monte Carlo

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Implantation et validation d’un modèle Monte Carlo du Cyberknife dans un outil de calcul de dose clinique

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Comparison between molecular dynamics abd Monte Carlo simulations of an ordering process in a binary alloy

Ordering in a binary alloy is studied by means of a molecular-dynamics (MD) algorithm which allows to reach the domain growth regime. Results are compared with Monte Carlo simulations using a realistic vacancy-atom (MC-VA) mechanism. At low temperatures fast growth with a dynamical exponent x>1/2 is found for MD and MC-VA. The study of a nonequilibrium ordering process with the two methods shows the importance of the nonhomogeneity of the excitations in the system for determining its macroscopic kinetics.

Closure of the Monte Carlo dynamical equation in the spherical Sherrington-Kirkpatrick model

We study the analytical solution of the Monte Carlo dynamics in the spherical Sherrington-Kirkpatrick model using the technique of the generating function. Explicit solutions for one-time observables (like the energy) and two-time observables (like the correlation and response function) are obtained. We show that the crucial quantity which governs the dynamics is the acceptance rate. At zero temperature, an adiabatic approximation reveals that the relaxational behavior of the model corresponds to that of a single harmonic oscillator with an effective renormalized mass.

Modelo de gestión de la red de distribución tercerizada segmento tiendas región central, en productos de consumo masivo, mediante datos de panel y simulación de Monte Carlo.

El proyecto de investigación parte de la dinámica del modelo de distribución tercerizada para una compañía de consumo masivo en Colombia, especializada en lácteos, que para este estudio se ha denominado “Lactosa”. Mediante datos de panel con estudio de caso, se construyen dos modelos de demanda por categoría de producto y distribuidor y mediante simulación estocástica, se identifican las variables relevantes que inciden sus estructuras de costos. El problema se modela a partir del estado de resultados por cada uno de los cuatro distribuidores analizados en la región central del país. Se analiza la estructura de costos y el comportamiento de ventas dado un margen (%) de distribución logístico, en función de las variables independientes relevantes, y referidas al negocio, al mercado y al entorno macroeconómico, descritas en el objeto de estudio. Entre otros hallazgos, se destacan brechas notorias en los costos de distribución y costos en la fuerza de ventas, pese a la homogeneidad de segmentos. Identifica generadores de valor y costos de mayor dispersión individual y sugiere uniones estratégicas de algunos grupos de distribuidores. La modelación con datos de panel, identifica las variables relevantes de gestión que inciden sobre el volumen de ventas por categoría y distribuidor, que focaliza los esfuerzos de la dirección. Se recomienda disminuir brechas y promover desde el productor estrategias focalizadas a la estandarización de procesos internos de los distribuidores; promover y replicar los modelos de análisis, sin pretender remplazar conocimiento de expertos. La construcción de escenarios fortalece de manera conjunta y segura la posición competitiva de la compañía y sus distribuidores.

Monte Carlo phase diagram for diblock copolymer melts

A partial phase diagram is constructed for diblock copolymer melts using lattice-based Monte Carlo simulations. This is done by locating the order-disorder transition (ODT) with the aid of a recently proposed order parameter and identifying the ordered phase over a wide range of copolymer compositions (0.2 <= f <= 0.8). Consistent with experiments, the disordered phase is found to exhibit direct first-order transitions to each of the ordered morphologies. This includes the spontaneous formation of a perforated-lamellar phase, which presumably forms in place of the gyroid morphology due to finite-size and/or nonequilibrium effects. Also included in our study is a detailed examination of disordered cylinder-forming (f=0.3) diblock copolymers, revealing a substantial degree of pretransitional chain stretching and short-range order that set in well before the ODT, as observed previously in analogous studies on lamellar-forming (f=0.5) molecules. (c) 2006 American Institute of Physics.

Monte Carlo phase diagram for diblock copolymer melts

The phase diagram for diblock copolymer melts is evaluated from lattice-based Monte Carlo simulations using parallel tempering, improving upon earlier simulations that used sequential temperature scans. This new approach locates the order-disorder transition (ODT) far more accurately by the occurrence of a sharp spike in the heat capacity. The present study also performs a more thorough investigation of finite-size effects, which reveals that the gyroid (G) morphology spontaneously forms in place of the perforated-lamellar (PL) phase identified in the earlier study. Nevertheless, there still remains a small region where the PL phase appears to be stable. Interestingly, the lamellar (L) phase next to this region exhibits a small population of transient perforations, which may explain previous scattering experiments suggesting a modulated-lamellar (ML) phase.

Parallel Monte Carlo sampling scheme for sphere and hemisphere

The sampling of certain solid angle is a fundamental operation in realistic image synthesis, where the rendering equation describing the light propagation in closed domains is solved. Monte Carlo methods for solving the rendering equation use sampling of the solid angle subtended by unit hemisphere or unit sphere in order to perform the numerical integration of the rendering equation. In this work we consider the problem for generation of uniformly distributed random samples over hemisphere and sphere. Our aim is to construct and study the parallel sampling scheme for hemisphere and sphere. First we apply the symmetry property for partitioning of hemisphere and sphere. The domain of solid angle subtended by a hemisphere is divided into a number of equal sub-domains. Each sub-domain represents solid angle subtended by orthogonal spherical triangle with fixed vertices and computable parameters. Then we introduce two new algorithms for sampling of orthogonal spherical triangles. Both algorithms are based on a transformation of the unit square. Similarly to the Arvo's algorithm for sampling of arbitrary spherical triangle the suggested algorithms accommodate the stratified sampling. We derive the necessary transformations for the algorithms. The first sampling algorithm generates a sample by mapping of the unit square onto orthogonal spherical triangle. The second algorithm directly compute the unit radius vector of a sampling point inside to the orthogonal spherical triangle. The sampling of total hemisphere and sphere is performed in parallel for all sub-domains simultaneously by using the symmetry property of partitioning. The applicability of the corresponding parallel sampling scheme for Monte Carlo and Quasi-D/lonte Carlo solving of rendering equation is discussed.