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Septembre 2023 - Diffusion d'ondes par des objets ayant des géométries complexes, distribuées
Dans la revue Optics Letters nous avons récemment proposé une approche statistique pour la diffusion d'une onde par un objet 3D (Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries ), avec un focus sur l'obtention des propriétés radiatives de particules complexes par résolution d'un problème d'électromagnétisme (sections efficaces d'absorption, de diffusion et fonction de phase). Nous avons produit des procédures d'échantillonnage insensibles à la complexité géométrique pour les processus stochastiques associés à trois modèles - l'approximation de Schiff, l'approximation de Born et une série de Born infinie, rigoureuse - permettant ainsi de traiter toute particule à faible contraste.
Nous avons mis en oeuvre cette approche pour l'approximation de Schiff dans un logiciel libre et à code source ouvert (le site du code de calcul schiff). Nous reproduisons ici un graphique qui illustre deux propriétés essentielles de cette nouvelle approche :
- le temps de calcul n'augmente pas quand on complexifie la géométrie des particules ;
- le temps de calcul n'augmente pas quand on raffine la description géométrique d'une particule donnée.
D'autres résultats présentés dans l'article montrent que le temps de calcul n'augmente pas non plus quand on ajoute des prises de moyennes sur les distributions de la forme, la taille et l'orientation des particules.
Les avantages usuels de la méthode de Monte Carlo sont maintenant disponibles lors de la résolution de problèmes d'électromagnétismes. Ce faisant, nous sommes maintenant en mesure de produire les propriétés radiatives agulaires et spectrales de la microalgue Arthrospira platensis en 20 minutes, là où plusieurs mois étaient nécessaires avec des méthodes déterministes.
Wave-scattering by complex and distributed three-dimensional objects
We recently presented a new statistical perspective on wave single-scattering by complex three-dimensional objects in Optics Letters (Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries ), with special emphasis on obtaining the radiative properties of complex shaped particles by solving electromagnetic scattering (absorption and scattering cross-sections; phase function). We have produced sampling procedures insensitive to geometric complexity for the stochastic processes associated with three models - Schiff's approximation, Born approximation and an infinite, rigorous, Born series - thus enabling us to handle any low-contrast particle.
We fully implemented this probabilistic approach for Schiff’s approximation in a free and open-source software application (Schiff software website ). We reproduce here a graph illustrating two properties of this new approach:
- calculation time doesn't increase as particle geometry becomes more complex;
- computation time does not increase as the geometric description of a given particle is refined.
Other results presented in the article show that the computation time does not increase when we add averaging on particle shape, size and orientation distributions.
Commonly recognized features of the Monte Carlo method can now be available when solving electromagnetic scattering. In so doing, we are able to produce spectral and angular radiative properties of helical-shaped microalgae Arthrospira platensis in 20 min, whereas this required several months with a straight cylinder model using deterministic methods.
Avril 2023 - Transferts thermiques
Suite à notre article de perspective dans Science Advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling), nous initions aujourd'hui une série d'articles plus techniques. Ils ont comme objectif de détailler les implications à la fois théoriques et applicatives du points de vue renouvelé que nous essayons de porter sur la physique des transferts de chaleur. Le premier de ces articles est co-écrit par 44 auteurs dans 17 institutions de recherche. Il est disponible dans la revue Plos One. Nous y proposons une image physique et un ensemble d'intuitions concernant une statistique de chemins thermiques qui traversent continuement le système d'étude en alternant d'un mode de transfert à un autre de façon itérative (rayonnement, conduction et convection). Dans un premier temps nos rappelons le cadre théorique des propagateurs et des fonctions de Green pour en proposer une lecture probabiliste. Ensuite nous les étendons, notamment en termes d'opérationnalité, en faisant appel au formalisme de Feynmann, donc aux processus stochastiques. Enfin, ce cadre théorique est complété par la proposition d'une approximation du mouvement brownien en espace confiné qui passe à l'échelle en terme de rafinement de la description géométrique.
Heat Transfer
After our perspective article in Science Advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling), we are now launching a series of technical papers. They detail both the theoretical and practical implications of an alternative view of heat transfer. The first, co-authored by 44 researchers at 17 institutions, is available in Plos One. It supports the intuitive pictures of continuous thermal paths that run through the different physics at work (radiation, conduction and convection). First, the theoretical frameworks of propagators and Green’s functions are used to demonstrate that a coupled model involving different physical phenomena can be probabilized. Second, they are extended and made operational using the Feynman-Kac theory and stochastic processes. Finally, the theoretical framework is supported by a new proposal for an approximation of coupled Brownian trajectories compatible with highly refined geometry.
Mars 2023 - Optimiser la conception géométrique des systèmes énergétiques lorsqu'ils impliquent du rayonnement
Dans le revue Solar Energy, le 17 février 2023, nous avons publié un article décrivant un outil d'analyse conçu pour les ingénieurs confrontés à la conception de systèmes d'un haut niveau de complexité géométrique (Monte-Carlo estimation of geometric sensitivities in Solar Power Tower systems of flat mirrors). Les bibliothèques de calculs correspondantes sont toute accessibles sous licence libre et gratuite et nous organisons des sessions de formation pour les ingénieurs qui souhaitent les utiliser ou les adapter à leur environnement de développement de façon spécifique.
La figure illustre le travail de recherche de Zili He qui a réussi à quantifier les sensitibilités de la puissance récoltée par Sierra SunTower (une centrale solaire à concentration à Lancaster, Californie) à chacun des paramètres de ses 6090 heliostats. Son approche à consisté à faire appel au modèle de sensibilité proposé par Paule Lapeyre dans "Monte-Carlo and sensitivity transport models for domain deformation". Paule Lapeyre a observé que les sensibilités se propagent dans l'espace exactement de la même façon que le rayonnement. Les algorithmes de Monte Carlo communément employés en transfert radiatif peuvent donc être également employés pour l'analyse et la quantification des sensibilités. Toute la subtilité réside alors dans la définition des conditions à la limite et dans leur gestion informatique. Zili He a revisité cette proposition à la fois physiquement et informatiquement. Il en résulte un formalisme vectoriel qui est compatible avec les avancées les plus récentes de l'informatique graphique et permet le calcul simultané d'un très grand nombre de sensibilités tel que présenté dans la figure (chacun des points de chacune des sous-figures correspond à la sensibilité au paramètre d'un héliostat).
Tuning the geometric design of energetic systems when they involve Radiative Transfer
One of our energy analysis tools, designed for engineers facing highly complex geometries, was published on 17 February 2023 in Solar Energy (Monte-Carlo estimation of geometric sensitivities in Solar Power Tower systems of flat mirrors). All the associated computation libraries are available under a free license and we organize training sessions for engineers that wish to make use of such analysis and adapt our Monte Carlo development framework to their specific needs.
The picture illustrates the work of Zili He who has successfully quantified how the solar power collected by Sierra SunTower (a Concentrated Solar Plant in Lancaster, California) is sensitive to each geometrical parameter of each of 6090 heliostats within the field. He achieved this using the geometric sensitivity model of Paule Lapeyre ("Monte-Carlo and sensitivity transport models for domain deformation"). The main observation of Paule Lapeyre is that sensitivities propagate in space the exact same way radiation does. The same Monte Carlo tools as those commonly used to compute the collected solar power can therefore be also used to quantify sensitivities. But then all the subtlety is in the boundary conditions and in the way they are computationally handled. Zili He revisited this proposition both physically and computationally. A vectorial formalism is now available that can be combined with advanced computer graphics to perform the simultaneous computation of the huge number of all the sensitivities displayed in the present figure (each dot in each plot is one heliostat sensitivity).
Mars 2023 - La plateforme EDStar
Le CNRS héberge maintenant notre site web à l'adresse suivante : http://www.edstar.cnrs.fr. Au stade actuel nous publions seulement le rapport final du projet «Démonstrateur» qui a été financé par la Région Occitanie il y a quelques années (http://www.edstar.cnrs.fr/prod/fr/). Vous verrez que ce site «n'a pas pris une ride». Nous essairons tout de même de le mettre à jour et d'en proposer une version en langue anglaise le plus rapidement possible. Mais vous pouvez déjà jouer avec notre simulateur thermique 2D interactif et lire les vidéos de description correspondantes.
Amusez vous ! C'est un très bon moyen de comprendre ce que nous entendons lorsque nous parlons de thermique statistique, avant de consulter nos publications plus détaillées (e.g. The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling) qui renvoient de plus vers les avancées récentes de l'informatique graphique pour la gestion de descriptions géométriques 3D d'un très haut niveau de rafinement. Vous pouvez aussi garder en tête que vous êtes les bienvenus lors des sessions de formation que nous organisons dans nos locaux, à destination des ingénieurs qui souhaitent utiliser nos outils de simulation statistique et les adapter à leur environnement de développement. Tous ces outils sont distribués sous licence libre et gratuite.
The EDStar platform
CNRS is now hosting our website at http://www.edstar.cnrs.fr. At this stage we have only published the final report of the demonstrator projet financed by French Occitanie Region a few years ago (at http://www.edstar.cnrs.fr/prod/fr/). You will see that it has not aged a day («n'a pas pris une ride») but is only in French. We will update the publication list and also publish an English version as soon as possible. But you may already play with our 2D interactive heat-transfer simulator and watch the corresponding tutorial videos.
Have fun ! This is a quite efficient way to understand what we mean by statistical heat transfer before looking at our more detailed publications (e.g. The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling) that further include advanced computer graphics to deal with highly refined 3D geometrical descriptions. Keep also in mind that you are welcome to the training sessions that we organize for engineers that wish to make use of such statistical simulation tools and adapt our Monte Carlo development framework to their specific needs. Everything is distributed under a free license.
Février - Simuations thermiques au sein de géométries dont la description est très rafinée avec de faibles coûts de calcul
Dans la revue Science Advances nous avons récemment proposé un changement de paradigme dans la modélisation du climat urbain qui est rendu possible par de récentes avancées dans le domaine des simulations statistiques par la méthode de Monte Carlo (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling). Il est aujourd'hui possible de réaliser des simulations 3D instationnaires directes de systèmes thermiques aussi étendus qu'une ville, dans laquelle chaque détail de chaque maison est décrit à toutes les échelles.
Des informations complémentaires sont disponibles sur le site du code de calcul stardis. Nous reproduisons ici un graphique qui illustre deux propriétés essentielles de cette nouvelle approche :
- le temps de calcul n'augmente pas quand on rafine la description géométrique ;
- lors d'une simulation Monte Carlo, les chemins thermiques échantillonnés peuvent être archivé et on peut ensuite les rejouer pour d'autres conditions à la limite, d'autres sources, d'autres temps d'observation, sans devoir reconstruire de nouveaux chemins, réduisant ainsi les temps de calcul de plusieurs ordres de grandeur (Green usage).
Heat-transfer simulation in refined geometries at low computational expenses.
In Science Advances we recently announced a paradigm shift in urban climate modeling allowed by recent Monte Carlo advances (The teapot in a city: A paradigm shift in urban climate modeling). Direct 3D transient simulation of heat transfer in such large scale systems as cities, including all housing details at all scales, is now feasible.
You may find useful complementary information on stardis website. We here reproduce a plot indicating two main features of this new approach:
- computation time does not increase when refining the geometrical description;
- once a first Monte Carlo simulation is performed, all the sample thermal paths have been stored and the simulation can be replayed for other boundary conditions, other sources, other observation times, without reconstructing the paths, typically reducing computation times of three orders of magnitude (Green usage).
