Accurate velocity reconstruction for Discontinuous Galerkin approximations of two-phase porous media flows

We consider Discontinuous Galerkin approximations of two-phase, immiscible porous media flows in the global pressure/fractional flow formulation with capillary pressure. A sequential approach is used with a backward Euler step for the saturation equation, equal-order interpolation for the pressure and the saturation, and without any limiters. An accurate total velocity field is recovered from the global pressure equation to be used in the saturation equation. Numerical experiments show the advantages of the proposed reconstruction. To cite this article: A. Ern et al., C R. Acad. Sci. Paris, Ser. 1347 (2009). (C) 2009 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

弱各向异性介质中传播的地震波及其速度重建

We begin our studies to make the best of information of seismic data and carry out the description of cracks parameters by extracting anisotropic information. The researching contents are: (1) velocity and polarization anomaly of seismic wave (qP and qSV wave) in weak anisotropic media; (2) reflection seismic synthetic record in anisotropic media; (3) multiple scattering induced by cracks; (4) anisotropic structure inversion and velocity reconstruction with VSP (Vertical Seismic Profile) data; (5) multi-parameters analysis of anisotropy in time-domain and depth-domain. Then we obtain results as follows: (1) We achieve approximate relation of qP and qSV wave's velocity and polarization property in weak anisotropic media. At the same time, we calculate anisotropic velocity factors and polarization anomaly of several typical sedimentary rocks. The results show there are different anisotropic velocity factors and polarization anomaly in different rocks. It is one of the primary theoretical foundation which is expected to identify lithology; (2) We calculate reflection seismic synthetic record with theoretical model; (3) We simulate scattering induced by cracks with Boundary Element Method. Numerical studies show that in the presence of cracks; spatial and scale-length distributions are important and cannot be ignored in modeling cracked solids; (4) From traveltimes information of VSP data, we study the velocity parameter inversion of seismic wave under isotropic and anisotropic models, and its result indicate that the inversion imaging under anisotropic model will not destroy the original features of isotropic model, but it will bring on some bigger error if we adopt the method of isotropic model for anisotropic model data. Further more, basing on the study we develop the CDP mapping technology of reflecting structure under isotropic and anisotropic models, and we process real data as a trial of the methods; (5) We study the problem of initial model reconstruction of anisotropic parameters structure represented by Anderson parameter in depth domain for surface data.

Discontinuous Galerkin approximation of two-phase flows in heterogeneous porous media with discontinuous capillary pressures

We design and investigate a sequential discontinuous Galerkin method to approximate two-phase immiscible incompressible flows in heterogeneous porous media with discontinuous capillary pressures. The nonlinear interface conditions are enforced weakly through an adequate design of the penalties on interelement jumps of the pressure and the saturation. An accurate reconstruction of the total velocity is considered in the Raviart-Thomas(-Nedelec) finite element spaces, together with diffusivity-dependent weighted averages to cope with degeneracies in the saturation equation and with media heterogeneities. The proposed method is assessed on one-dimensional test cases exhibiting rough solutions, degeneracies, and capillary barriers. Stable and accurate solutions are obtained without limiters. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Persistent ocean monitoring with underwater gliders : towards accurate reconstruction of dynamic ocean processes

Ocean processes are dynamic and complex events that occur on multiple different spatial and temporal scales. To obtain a synoptic view of such events, ocean scientists focus on the collection of long-term time series data sets. Generally, these time series measurements are continually provided in real or near-real time by fixed sensors, e.g., buoys and moorings. In recent years, an increase in the utilization of mobile sensor platforms, e.g., Autonomous Underwater Vehicles, has been seen to enable dynamic acquisition of time series data sets. However, these mobile assets are not utilized to their full capabilities, generally only performing repeated transects or user-defined patrolling loops. Here, we provide an extension to repeated patrolling of a designated area. Our algorithms provide the ability to adapt a standard mission to increase information gain in areas of greater scientific interest. By implementing a velocity control optimization along the predefined path, we are able to increase or decrease spatiotemporal sampling resolution to satisfy the sampling requirements necessary to properly resolve an oceanic phenomenon. We present a path planning algorithm that defines a sampling path, which is optimized for repeatability. This is followed by the derivation of a velocity controller that defines how the vehicle traverses the given path. The application of these tools is motivated by an ongoing research effort to understand the oceanic region off the coast of Los Angeles, California. The computed paths are implemented with the computed velocities onto autonomous vehicles for data collection during sea trials. Results from this data collection are presented and compared for analysis of the proposed technique.

Velocity profiles in a cylindrical liquid jet by reconstructed velocimetry

An experimental setup and a simple reconstruction method are presented to measure velocity fields inside slightly tapering cylindrical liquid jets traveling through still air. Particle image velocimetry algorithms are used to calculate velocity fields from high speed images of jets of transparent liquid containing seed particles. An inner central plane is illuminated by a laser sheet pointed at the center of the jet and visualized through the jet by a high speed camera. Optical distortions produced by the shape of the jet and the difference between the refractive index of the fluid and the surrounding air are corrected by using a ray tracing method. The effect of the jet speed on the velocity fields is investigated at four jet speeds. The relaxation rate for the velocity profile downstream of the nozzle exit is reasonably consistent with theoretical expectations for the low Reynolds numbers and the fluid used, although the velocity profiles are considerably flatter than expected. © 2012 American Society of Mechanical Engineers.

Changes in landing mechanics in patients following anterior cruciate ligament reconstruction when wearing an extension constraint knee brace.

BACKGROUND: Anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction is associated with a high incidence of second tears (graft tears and contralateral ACL tears). These secondary tears have been attributed to asymmetrical lower extremity mechanics. Knee bracing is one potential intervention that can be used during rehabilitation that has the potential to normalize lower extremity asymmetry; however, little is known about the effect of bracing on movement asymmetry in patients following ACL reconstruction. HYPOTHESIS: Wearing a knee brace would increase knee joint flexion and joint symmetry. It was also expected that the joint mechanics would become more symmetrical in the braced condition. OBJECTIVE: To examine how knee bracing affects knee joint function and symmetry over the course of rehabilitation in patients 6 months following ACL reconstruction. STUDY DESIGN: Controlled laboratory study. LEVEL OF EVIDENCE: Level 3. METHODS: Twenty-three adolescent patients rehabilitating from ACL reconstruction surgery were recruited for the study. The subjects all underwent a motion analysis assessment during a stop-jump activity with and without a functional knee brace on the surgical side that resisted extension for 6 months following the ACL reconstruction surgery. Statistical analysis utilized a 2 × 2 (limb × brace) analysis of variance with a significant alpha level of 0.05. RESULTS: Subjects had increased knee flexion on the surgical side when they were braced. The brace condition increased knee flexion velocity, decreased the initial knee flexion angle, and increased the ground reaction force and knee extension moment on both limbs. Side-to-side asymmetry was present across conditions for the vertical ground reaction force and knee extension moment. CONCLUSION: Wearing a knee brace appears to increase lower extremity compliance and promotes normalized loading on the surgical side. CLINICAL RELEVANCE: Knee extension constraint bracing in postoperative ACL patients may improve symmetry of lower extremity mechanics, which is potentially beneficial in progressing rehabilitation and reducing the incidence of second ACL tears.

Reconstruction des structures magnéto-convectives solaires sous une région active, par l’utilisation conjointe d’un modèle de convection anélastique et d’une méthode d’assimilation de données.

L’utilisation d’une méthode d’assimilation de données, associée à un modèle de convection anélastique, nous permet la reconstruction des structures physiques d’une partie de la zone convective située en dessous d’une région solaire active. Les résultats obtenus nous informent sur les processus d’émergence des tubes de champ magnétique au travers de la zone convective ainsi que sur les mécanismes de formation des régions actives. Les données solaires utilisées proviennent de l’instrument MDI à bord de l’observatoire spatial SOHO et concernent principalement la région active AR9077 lors de l’ ́évènement du “jour de la Bastille”, le 14 juillet 2000. Cet évènement a conduit à l’avènement d’une éruption solaire, suivie par une importante éjection de masse coronale. Les données assimilées (magnétogrammes, cartes de températures et de vitesses verticales) couvrent une surface de 175 méga-mètres de coté acquises au niveau photosphérique. La méthode d’assimilation de données employée est le “coup de coude direct et rétrograde”, une méthode de relaxation Newtonienne similaire à la méthode “quasi-linéaire inverse 3D”. Elle présente l’originalité de ne pas nécessiter le calcul des équations adjointes au modèle physique. Aussi, la simplicité de la méthode est un avantage numérique conséquent. Notre étude montre au travers d’un test simple l’applicabilité de cette méthode à un modèle de convection utilisé dans le cadre de l’approximation anélastique. Nous montrons ainsi l’efficacité de cette méthode et révélons son potentiel pour l’assimilation de données solaires. Afin d’assurer l’unicité mathématique de la solution obtenue nous imposons une régularisation dans tout le domaine simulé. Nous montrons enfin que l’intérêt de la méthode employée ne se limite pas à la reconstruction des structures convectives, mais qu’elle permet également l’interpolation optimale des magnétogrammes photosphériques, voir même la prédiction de leur évolution temporelle.

Impact des troubles musculosquelettiques sur les mécanismes du contrôle postural chez les adolescents-hockeyeurs de niveau élite et intervention en Reconstruction Posturale®

Les adolescents-hockeyeurs peuvent être affligés de troubles musculosquelettiques (TMS) résultant d’un excès de tension musculaire lequel peut mener à des déformations ou déséquilibres musculaires ainsi qu’à une attitude posturale inadéquate. Les conséquences de ces changements mènent souvent à une surcharge inutile du système musculosquelettique (SMS), à la perturbation des mécanismes du contrôle postural et éventuellement à l’apparition de douleurs musculaires et articulaires. Les interventions qui s’attaquent aux TMS par une rééquilibration de la tension musculaire sont peu nombreuses. Les interventions qui s’attaquent aux TMS par une normalisation de la tension musculaire sont peu nombreuses. La Reconstruction Posturale® (RP), testée cliniquement, est l’une d’entre elles. Dans un premier temps, cette thèse visait à identifier les caractéristiques du contrôle postural chez les adolescents-hockeyeurs de niveau élite lorsque le système somatosensoriel est mis à l’épreuve en position debout quasi statique pieds nus et en patins. Dans un deuxième temps, nous avons évalué l’impact d’une intervention en RP sur des variables cliniques et biomécaniques, chez ces athlètes qui souffrent de TMS. Soixante-sept adolescents-hockeyeurs de niveau élite âgés de 15 à 18 ans ont participé à l’étude. Le contrôle postural de cinquante-sept joueurs a été évalué en position debout sur deux plateformes de force les yeux ouverts et les yeux fermés, pieds nus sur une surface dure et sur une mousse. De ce groupe, trente-cinq sujets ont également été évalués en patins, les yeux ouverts et les yeux fermés. Par la suite, neuf adolescents-hockeyeurs souffrant de TMS, ont été sélectionnés pour participer au protocole d’intervention thérapeutique en RP qui consistait en l’application de six séances de thérapie prodiguées sur une période de six semaines. Le déplacement du centre de pression (CP) sous les pieds a été calculé dans les directions antéro-postérieure (AP) et médio-latérale (ML). La vélocité moyenne du CP, le déplacement moyen du CP et l’étendue du CP ont été retenus pour rendre compte de la performance du contrôle posturale. D’autre part, l’asymétrie de mise en charge, la trajectoire du CP sous les pieds gauche et droit, le CPc pour rendre compte de la stratégie de chevilles et le CPv pour rendre compte de la stratégie de hanches ont été retenues pour identifier les stratégies utilisées pour maintenir l’équilibre. L’impact de l’intervention en RP a été évalué à l’aide de trois variables cliniques soit la douleur à l’aide de l’échelle visuelle analogue (ÉVA), la capacité fonctionnelle à l’aide d’un un questionnaire autoadministré et des photographies de la posture debout pour rendre compte des variables posturales biomécaniques. Nos résultats montrent que chez les adolescents-hockeyeurs la performance du contrôle postural en position debout statique est davantage perturbée par les changements somatosensoriels en direction ML alors qu’en AP, la perte d’informations visuelles ainsi que des changements somatosensoriels affectent la performance. Dans toutes les conditions expérimentales et dans les deux directions, nous avons observé une vélocité du CP remarquablement élevée, variant entre 18 et 22 mm/s. Au niveau des stratégies et indépendamment de la condition expérimentale, nous avons observé une dominance presque complète de la stratégie de cheville en AP alors qu’en ML, la stratégie de hanche dominait avec une contribution de la stratégie de cheville de plus de 20 %. En patins, en direction ML, aucun changement significatif de la performance n’a été observé. Toutefois en AP, nous avons observé une augmentation significative de la vélocité du CP, yeux ouverts et yeux fermés ainsi qu’une augmentation significative de l’étendue, yeux ouverts seulement. Au niveau des stratégies, la stratégie de cheville domine en AP et la stratégie de hanche domine en ML avec une contribution plus modeste de la stratégie de cheville qui était inférieure à 12 %. Chez les adolescents-hockeyeurs souffrant de TMS, post-intervention, nos résultats indiquent une diminution significative de la douleur et une amélioration des capacités fonctionnelles ainsi que de l’attitude posturale. Pré intervention en direction ML, nous avons observé une contribution significativement plus élevée de la stratégie de cheville au contrôle du CPnet et un retour vers des valeurs normales post-intervention. L’impact de l’intervention thérapeutique sur la performance du contrôle postural s’est avéré non significatif en ML et en AP.

Reconstruction des mouvements du plasma dans une région active solaire à l'aide de données d'observation et d'une minimisation Lagrangienne

À ce jour, les différentes méthodes de reconstruction des mouvements du plasma à la surface du Soleil qui ont été proposées présupposent une MHD idéale (Welsch et al., 2007). Cependant, Chae & Sakurai (2008) ont montré l’existence d’une diffusivité magnétique turbulente à la photosphère. Nous introduisons une généralisation de la méthode du Minimum Energy Fit (MEF ; Longcope, 2004) pour les plasmas résistifs. Le Resistive Minimum Energy Fit (MEF-R ; Tremblay & Vincent, 2014) reconstruit les champs de vitesse du plasma et la diffusivité magnétique turbulente qui satisfont à l’équation d’induction magnétique résistive et qui minimisent une fonctionnelle analogue à l’énergie cinétique totale. Une séquence de magnétogrammes et de Dopplergrammes sur les régions actives AR 9077 et AR 12158 ayant chacune produit une éruption de classe X a été utilisée dans MEF-R pour reconstruire les mouvements du plasma à la surface du Soleil. Les séquences temporelles des vitesses et des diffusivités magnétiques turbulentes calculées par MEF-R sont comparées au flux en rayons X mous enregistré par le satellite GOES-15 avant, pendant et après l’éruption. Pour AR 12158, nous observons une corrélation entre les valeurs significatives de la diffusivité magnétique turbulente et de la vitesse microturbulente pour les champs magnétiques faibles.

Tomographic imaging of molecular orbitals in length and velocity form

Recently Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] introduced the new concept of molecular orbital tomography, where high harmonic generation (HHG) is used to image electronic wave functions. We describe an alternative reconstruction form, using momentum instead of dipole matrix elements for the electron recombination step in HHG. We show that using this velocity-form reconstruction, one obtains better results than using the original length-form reconstruction. We provide numerical evidence for our claim that one has to resort to extremely short pulses to perform the reconstruction for an orbital with arbitrary symmetry. The numerical evidence is based on the exact solution of the time-dependent Schrödinger equation for 2D model systems to simulate the experiment. Furthermore we show that in the case of cylindrically symmetric orbitals, such as the N2 orbital that was reconstructed in the original work, one can obtain the full 3D wave function and not only a 2D projection of it. Vor kurzem führten Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] das Konzept der Molelkülorbital-Tomographie ein. Hierbei wird die Erzeugung hoher Harmonischer verwendet, um Bilder von elektronischen Wellenfunktionen zu gewinnen. Wir beschreiben eine alternative Form der Rekonstruktion, die auf Impuls- statt Dipol-Matrixelementen für den Rekombinationsschritt bei der Erzeugung der Harmonischen basiert. Wir zeigen, dass diese "Geschwindigkeitsform" der Rekonstruktion bessere Ergebnisse als die ursprüngliche "Längenform" liefert. Wir zeigen numerische Beweise für unsere Behauptung, dass man zu extrem kurzen Laserpulsen gehen muss, um Orbitale mit beliebiger Symmetrie zu rekonstruieren. Diese Ergebnisse basieren auf der exakten Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für 2D-Modellsysteme. Wir zeigen ferner, dass für zylindersymmetrische Orbitale wie das N2-Orbital, welches in der oben zitierten Arbeit rekonstruiert wurde, das volle 3D-Orbital rekonstruiert werden kann, nicht nur seine 2D-Projektion.

The dark matter profile of the Milky Way: a non-parametric reconstruction

We present the results of a new, non-parametric method to reconstruct the Galactic dark matter profile directly from observations. Using the latest kinematic data to track the total gravitational potential and the observed distribution of stars and gas to set the baryonic component, we infer the dark matter contribution to the circular velocity across the Galaxy. The radial derivative of this dynamical contribution is then estimated to extract the dark matter profile. The innovative feature of our approach is that it makes no assumption on the functional form or shape of the profile, thus allowing for a clean determination with no theoretical bias. We illustrate the power of the method by constraining the spherical dark matter profile between 2.5 and 25 kpc away from the Galactic center. The results show that the proposed method, free of widely used assumptions, can already be applied to pinpoint the dark matter distribution in the Milky Way with competitive accuracy, and paves the way for future developments.

Maximum flight velocity of blood drops in analysing blood traces

When analysing blood spatters, traces often occur which regarding the collision angle, cannot be allocated to any supposed centre of origin. Drops following highly curved (ballistic) trajectories usually form these types of traces. The reconstruction of such trajectories requires knowledge of the mass, the diameter (of which approximations are known) and the velocity of the blood drops. This article provides an upper range of the velocity in relation to the diameter of the blood drops based on physical laws. This is very helpful in analysing ballistic trajectories.

Temperature reconstruction of sediment core SO9-93KL

The Toba volcanic event, one of the largest eruptions during the Quaternary, is documented in marine sediment cores from the northeastern Arabian Sea. On the crest of the Murray Ridge and along the western Indian continental margin, we detected distinct concentration spikes and ash layers of rhyolithic volcanic shards near the marine isotope stage 5-4 boundary with the chemical composition of the "Youngest Toba Tuff". Time series of the Uk'37-alkenone index, planktic foraminiferal species, magnetic susceptibility, and sediment accumulation rates from this interval show that the Toba event occurred between two warm periods lasting a few millennia. Using Toba as an instantaneous stratigraphic marker for correlation between the marine- and ice-core chronostratigraphies, these two Arabian Sea climatic events correspond to Greenland interstadials 20 and 19, respectively. Our data sets thus depict substantial interstadial/stadial fluctuations in sea-surface temperature and surface-water productivity. We show that variable terrigenous (eolian) sediment supply played a crucial role in transferring and preserving the productivity signal in the sediment record. Within the provided stratigraphic resolution of several decades to centennials, none of these proxies shows a particular impact of the Toba eruption. However, our results are additional support that Toba, despite its exceptional magnitude, had only a minor impact on the evolution of low-latitude monsoonal climate on centennial to millennial time scales.

Reconstruction of an unsteady flow from incomplete boundary data:Part I. Theory

Purpose – To propose and investigate a stable numerical procedure for the reconstruction of the velocity of a viscous incompressible fluid flow in linear hydrodynamics from knowledge of the velocity and fluid stress force given on a part of the boundary of a bounded domain. Design/methodology/approach – Earlier works have involved the similar problem but for stationary case (time-independent fluid flow). Extending these ideas a procedure is proposed and investigated also for the time-dependent case. Findings – The paper finds a novel variation method for the Cauchy problem. It proves convergence and also proposes a new boundary element method. Research limitations/implications – The fluid flow domain is limited to annular domains; this restriction can be removed undertaking analyses in appropriate weighted spaces to incorporate singularities that can occur on general bounded domains. Future work involves numerical investigations and also to consider Oseen type flow. A challenging problem is to consider non-linear Navier-Stokes equation. Practical implications – Fluid flow problems where data are known only on a part of the boundary occur in a range of engineering situations such as colloidal suspension and swimming of microorganisms. For example, the solution domain can be the region between to spheres where only the outer sphere is accessible for measurements. Originality/value – A novel variational method for the Cauchy problem is proposed which preserves the unsteady Stokes operator, convergence is proved and using recent for the fundamental solution for unsteady Stokes system, a new boundary element method for this system is also proposed.