In this research we consider developing a reservoir simulator capable of simulating complex coupled poromechanical processes on massively parallel computers. A variety of problems arising from petroleum and environmental engineering inherently necessitate the understanding of interactions between fluid flow and solid mechanics. Examples in petroleum engineering include reservoir compaction, wellbore collapse, sand production, and hydraulic fracturing. In environmental engineering, surface subsidence, carbon sequestration, and waste disposal are also coupled poromechanical processes. These economically and environmentally important problems motivate the active pursuit of robust, efficient, and accurate simulation tools for coupled poromechanical problems. Three coupling approaches are currently employed in the reservoir simulation community to solve the poromechanics system, namely, the fully implicit coupling (FIM), the explicit coupling, and the iterative coupling. The choice of the coupling scheme significantly affects the efficiency of the simulator and the accuracy of the solution. We adopt the fixed-stress iterative coupling scheme to solve the coupled system due to its advantages over the other two. Unlike the explicit coupling, the fixed-stress split has been theoretically proven to converge to the FIM for linear poroelasticity model. In addition, it is more efficient and easier to implement than the FIM. Our computational results indicate that this approach is also valid for multiphase flow. We discretize the quasi-static linear elasticity model for geomechanics in space using the continuous Galerkin (CG) finite element method (FEM) on general hexahedral grids. Fluid flow models are discretized by locally mass conservative schemes, specifically, the mixed finite element method (MFE) for the equation of state compositional flow on Cartesian grids and the multipoint flux mixed finite element method (MFMFE) for the single phase and two-phase flows on general hexahedral grids. While both the MFE and the MFMFE generate cell-centered stencils for pressure, the MFMFE has advantages in handling full tensor permeabilities and general geometry and boundary conditions. The MFMFE also obtains accurate fluxes at cell interfaces. These characteristics enable the simulation of more practical problems. For many reservoir simulation applications, for instance, the carbon sequestration simulation, we need to account for thermal effects on the compositional flow phase behavior and the solid structure stress evolution. We explicitly couple the poromechanics equations to a simplified energy conservation equation. A time-split scheme is used to solve heat convection and conduction successively. For the convection equation, a higher order Godunov method is employed to capture the sharp temperature front; for the conduction equation, the MFE is utilized. Simulations of coupled poromechanical or thermoporomechanical processes in field scales with high resolution usually require parallel computing capabilities. The flow models, the geomechanics model, and the thermodynamics model are modularized in the Integrated Parallel Accurate Reservoir Simulator (IPARS) which has been developed at the Center for Subsurface Modeling at the University of Texas at Austin. The IPARS framework handles structured (logically rectangular) grids and was originally designed for element-based data communication, such as the pressure data in the flow models. To parallelize the node-based geomechanics model, we enhance the capabilities of the IPARS framework for node-based data communication. Because the geomechanics linear system is more costly to solve than those of flow and thermodynamics models, the performance of linear solvers for the geomechanics model largely dictates the speed and scalability of the coupled simulator. We use the generalized minimal residual (GMRES) solver with the BoomerAMG preconditioner from the hypre library and the geometric multigrid (GMG) solver from the UG4 software toolbox to solve the geomechanics linear system. Additionally, the multilevel k-way mesh partitioning algorithm from METIS is used to generate high quality mesh partitioning to improve solver performance. Numerical examples of coupled poromechanics and thermoporomechanics simulations are presented to show the capabilities of the coupled simulator in solving practical problems accurately and efficiently. These examples include a real carbon sequestration field case with stress-dependent permeability, a synthetic thermoporoelastic reservoir simulation, poroelasticity simulations on highly distorted hexahedral grids, and parallel scalability tests on a massively parallel computer. / text

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Inventées au milieu des années 1980, nous assistons actuellement au développement à grande échelle des interfaces tactiles multipoints. Par comparaison avec la souris, les écrans multipoints nécessitent un nouveau processus d'étude afin de comprendre les changements apportés par cette technologie. Le travail déjà effectué avec d'autres périphériques d'entrée doit être repris à zéro afin de formuler de nouvelles théories pour la création d'interfaces tactiles multipoints. La manipulation à trois dimensions (3-D) d'un objet nécessite le contrôle de six degrés de liberté. Trois sont responsables de la position de l'objet et trois contrôlent son orientation. Dans ce mémoire, nous nous focalisons sur la manipulation 3-D d'un objet à l'aide de surfaces tactiles multipoints. Plus précisément, nous avons étudié le lien entre le périphérique d'entrée (ici la surface multipoint) et la tâche à effectuer (ici la manipulation 3-D). En premier lieu, nous avons introduit une taxonomie pour la représentation des techniques d'interaction 3-D spécifiques aux écrans multipoints. Cette taxonomie nous a permis de mettre en avant l'influence des stratégies de conception des techniques en termes d'intégration de degrés de liberté. Par la suite, nous avons mené une étude concernant les techniques d'interactions permettant le positionnement 3-D d'un objet. Nous avons présenté deux nouvelles techniques, tirant profit des capacités offertes par les écrans multipoints. L'évaluation de ces techniques nous révéla des conclusions quant à la coordination de l'utilisateur dans la réalisation de la tâche. Enfin, nous avons introduit une nouvelle technique d'interaction de manipulation 3-D. Cette technique a été évaluée plus rapide que les techniques existantes et nous avons pu déterminer les raisons expliquant cette performance accrue. Ces travaux, qui s'intéressent à la coordination de l'utilisateur lors de la réalisation de tâches 3-D à l'aide de surfaces multipoints, recommandent une approche favorisant la séparation des degrés de liberté, dans le but de pouvoir paralléliser les actions de l'utilisateur afin de tirer profit de la bande passante d'entrée plus importante offerte par les écrans multipoints.

First-generation, line-of-sight (LOS) fixed broadband wireless access techniques have been around for several years. However, services based on this technology have been limited in scope to service areas where transceivers can communicate with their base stations, unimpeded by trees, buildings and other obstructions. This limitation has serious consequences in that the system can deliver only 50% to 70% coverage within a given cell radius, thus affecting earned revenue. Next generation broadband fixed wireless access techniques are aimed at achieving a coverage area greater than 90%. To achieve this target, these techniques must be based on a point-to-multipoint (PMP) cellular architecture with low base station antennas, thus possessing the ability to operate in true non-line-of-sight (NLOS) conditions. A possible limiting factor for these systems is link degradation due to interference. This thesis presents a new model to estimate the levels of co-channel interference for such systems operating within the 3.5 GHz multichannel multipoint distribution service (MMDS) band. The model is site-specific in that it uses statistical building/roof height distribution parameters obtained from practically modeling several metropolitan cities in the U.S. using geographic information system (GIS) tools. This helps to obtain a realistic estimate and helps analyze the tradeoff between cell radius and modulation complexity. Together, these allow the system designer to decide on an optimal location for placement of customer premises equipment (CPE) within a given cell area. / Master of Science

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24227号 / 工博第5055号 / 新制||工||1789(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 岩井 裕, 教授 中部 主敬, 教授 黒瀬 良一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Given the current developments and advances in the scientific and technological aspects of human knowledge and introducing new approaches in various fields of telecommunication technologies and industries, there has been an increasing growth in its players' plans and a positive change in their outlooks in order to achieve the target of "anywhere and anytime access". Recent developments of WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access) networks, as a sign of increasing needs and demands for new telecommunication services and capabilities, have led to revolutions in global telecommunication which should be perceived properly in terms of the commercial and technical aspects in order to enjoy the new opportunities. Most experts believe that WiMAX technology is a preliminary step to develop Fourth Generation networks known as 4G technologies. It has not only succeeded in the utilization of several of the latest telecommunication techniques in the form of unique practical standards, but also paved the way for the quantitative and qualitative developments of high-speed broadband access. IEEE 802.16 Standard introduces several advantages, and one of them is the support for Quality of Services (QoS) at the Media Access Control (MAC) level. For these purposes, the standard defines several scheduling classes at MAC layer to treat service flow in a different way, depending on QoS requirements. In this thesis, we have proposed a new QoS framework for Point-to-Multi Point (PMP) 802.16 systems operating in Time Division Duplexing (TDD) mode over a WirelessMAN-OFDM physical layer. The proposed framework consists of a Call Admission Control (CAC) module and a scheduling scheme for the uplink traffic as well as a simple frame allocation scheme. The proposed CAC module interacts with the uplink scheduler status and it makes its decision based on the scheduler queue status; on the other hand, the proposed scheduling scheme for the uplink traffic aims to support realtime flows and adapts the frame-by-frame allocations to the current needs of the connections, with respect to the grants boundaries fixed by the CAC module. Extensive OPNET simulation demonstrates the effectiveness of the proposed architecture.

L’objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge multipoints pour suivre en ligne des milieux diffusants et absorbants dont les propriétés physique et chimique varient au cours du temps. Des travaux ont tout d’abord porté sur l’étude d’un milieu où seule la diffusion varie au cours du temps. Le suivi de la réaction de précipitation de la silice a été choisi pour illustrer un tel milieu. Dans un premier temps, des spectres en transmission collimatée ont été mesurés sur des échantillons prélevés au cours du procédé. Grâce à l’application de la loi de Beer-Lambert, il a été possible d'obtenir les coefficients de diffusion de chaque échantillon et ainsi retrouver les différentes étapes de la réaction. Une analyse en composante principale de ces coefficients a montré la présence de deux régimes de diffusion dans le milieu réactionnel. Dans un second temps, une sonde de mesures multipoints, a été immergée dans un réacteur de fabrication. Des spectres ont été mesurés à des angles de 30°, 90°, 150°, 170° et 180° par rapport à la source, tout au long de la précipitation. Une analyse univariée, aux différents angles, a montré des différences et des similitudes entre les positions, en lien avec les interactions lumière matière. Puis une analyse multivariée multi tableaux ACCPS (Analyses en Composantes Communes et Poids Spécifiques) a été appliquée. Elle permet de combiner les informations issues des différents angles et de montrer les informations communes et spécifiques. Cela a permis de valider l’utilisation de la mesure multipoints pour le contrôle du procédé. Grâce à l’analyse des scores globaux, différents types de diffusion et la spécificité de certains angles dans la détection de modifications physiques, ont été identifiés. L’analyse des loadings individuels, a confirmé les différentes étapes réactionnelles identifiées et a révélé des phénomènes relatifs à la diffusion de la lumière comme l’allongement du trajet optique. La même démarche, analyses en laboratoire puis en ligne, a été appliquée à un milieu où la diffusion et l’absorption varient. Le suivi des produits issus des procédés pour l’amélioration de l’extraction du pétrole a été choisi pour illustrer un tel milieu. Dans un premier temps, des microémulsions (eau, huile et tensio-actif) ont été fabriquées de sorte à ce que les propriétés chimiques et physiques soient différentes. Puis chaque phase a été analysée séparément. Une analyse en composantes principales a permis de caractériser les systèmes grâce à l’identification des phases. Elle a également montré que les différences entre elles étaient liées, à la fois à l’absorption et à la diffusion. Pour séparer ces deux phénomènes, une résolution multivariée de courbes par régression alternée a été appliquée. Cela a permis d’expliquer plus en détail les différences entre les phases et d’obtenir des suivis semi-quantitatifs. Enfin dans la dernière partie, les mêmes échantillons ont été analysés en circulation avec une sonde multipoints. Une ACCPS a de nouveau été appliquée et a montré que des phénomènes de diffusion différents avaient lieu entre les classes. De plus elle a mis en lumière une hétérogénéité dans la composition des phases, qui ne pouvait pas être détectée avec des mesures en statique. / The aim of this thesis is to demonstrate the potential of multipoint near infrared spectroscopy to monitor online scattering and absorbing environments, where physical and chemical properties change over time. The work was first based on the study of an environment where scattering was the only parameter varying over time. Monitoring of the silica precipitation reaction has been chosen to illustrate that environment. First of all, spectra in collimated transmittance mode were acquired from samples collected during the process. Thanks to the Beer-Lambert law, scattering coefficients of each sample were obtained and from them the different steps of the reaction were found. A principal component analysis of those coefficients showed the existence of two scattering modes into the reaction environment. In the second phase, a multipoint probe was submerged in an industrial reactor. Spectra were measured during the precipitation with angle of 30°, 90°, 150°, 170° and 180° to the source. A univariate analyse at those different angles showed differences and similarities between the positions, linked to the interaction of light and matter. Then, a multiblock and multivariate analysis, CCSWA (Common Component and Specific Weight Analysis), was applied. It allows the combination of information from different angles and also shows common and specific information, in order to validate the use of multipoint measurement to monitor the process. Thanks to the analysis of global scores, different kind of scattering and the specificity of some angle, in the detection of physical modifications were identified. The analysis of individual loadings confirmed the identification of the different steps of reaction and has revealed some phenomena related to light scattering, such as the extension of the optical path. The same approach, analysis in the laboratory then online, was applied on an environment where scattering and absorption vary. Monitoring of products from the process to improve oil extraction, has been chosen to illustrate that environment. First of all, micro emulsions (water, oil and surfactant) were made so that physical and chemical properties would be different between samples. Then, each phase was analysed separately. A principal component analysis was used to characterize the system by phase identification. It also showed the differences between the phases were linked, both to absorption and scattering. In order to separate those two phenomena, a multivariate resolution by alternate regression has been applied. It has permitted to explain in more details the differences between the phases and to obtain semi-quantitative monitoring. Finally, in the last part, the same samples were analysed in circulation with a multipoint probe. A CCSWA has been applied again and showed that different scattering phenomenon occurred between the categories. Moreover, it highlighted a heterogeneity in the phases' composition that couldn’t be detected in static measurement.

Cette thèse est dédiée à l'étude du support des réseaux mobiles dans IPv6, la nouvelle génération du protocole qui régit les communications dans l'Internet. Les travaux traditionnels dans ce domaine se préoccupent de fournir une connectivité permanente pour les stations mobiles. En revanche, l'objet de la présente étude est de traiter séparément le cas d'un réseau tout entier qui migre dans la topologie Interne, ce qui pose un certain nombre de nouveaux problèmes. Nous étudions tout d'abord l'Etat de l'Art dans le domaine traditionnel du support de la mobilité des stations mobiles. cette étude nous permet de définir une taxonomie des propositions. En second lieu, nous définissons une nouvelle terminologie dédiée au support des réseaux mobiles, ainsi que leurs caractéristiques et les problèmes spécifiques causé par leur mobilité. Parmi un ensemble d'approches envisagées, nous nous consacrons tout particulièrement à l'usage de Mobile IPv6, le standard de l'IETF pour le support des stations mobiles. Dans un premier temps, nous proposons un certain nombre d'extensions nécessaires à ce protocole. Pour le long terme, nous proposons de réduire le coût des messages de contrôle induit par ce protocole au moyen de deux techniques multipoint. La première, dite traditionnelle, établit un arbre de distribution entre le réseau mobile et ses correspondants. La deuxième enregistre directement la liste des correspondants dans le message de contrôle. La performance de ces extensions multipoint est évaluée par simulation, et nous concluons cette dissertation par une vue d'ensemble d'une nouvelle architecture de gestion de la mobilité rassemblant diverses techniques, dont nos extensions multipoint.

Ces vingt dernières années les constructeurs d'automobiles ont réduit progressivement le bruit émis par les véhicules par une action portant sur les sources d'origine mécanique (réduction du bruit du moteur, meilleure conception des transmissions, amélioration des silencieux...). Il s'avère maintenant que le bruit de contact pneumatique/chaussée est la source principale des nuisances sonores à plus de 50 Km/h. La génération du bruit de contact a comme sources de nombreux phénomènes impliquant des mécanismes compliqués. L'un des principaux phénomènes étant les vibrations du pneumatique dues à la rugosité de la chaussée. Pour modéliser les vibrations du pneumatique, il faut connaître d'une part le comportement vibratoire du pneumatique et d'autre part les forces de contact. Le problème de contact entre un pneumatique et une chaussée est un contact dynamique tridimensionnel qui est difficile à modéliser dans toute sa généralité. Les modèles de contact avec la chaussée utilisés font appel à une modélisation simple en 2D et les modèles de contact existant en 3D sont trop lourds pour le calcul. Dans ce mémoire on apporte une contribution à l'étude des forces de contact engendrées par l'influence de la rugosité de la chaussée et ceci afin d'avoir une bonne approximation des sources de vibrations du pneumatique et prédire le bruit de roulement. On a développé un modèle semi analytique 3D qu'on a validé expérimentalement pour un contact ponctuel élastique et viscoélastique avec différentes formes de pointes de contact. La validation expérimentale et numérique du modèle pour un contact multipoints élastique a été abordée. On a terminé par une application de la méthode pour résoudre un problème de contact sur des profils de chaussées modèles.

Une antenne à réflecteur est un dispositif largement utilisé pour la communication satellite. La durée de vie d'un tel dispositif est étroitement liée à la fatigue due à la consommation d'énergie pour émettre le signal. Un des enjeux de la conception optimale d'une antenne revient donc à produire des systèmes dont le rendement est le meilleur possible par rapport à une tâche donnée. La particularité d'une antenne à réflecteur se traduit par la présence de surfaces rayonnantes dont la géométrie constitue le paramètre principal pour assumer cette tâche. Sur la base de la simulation de la propagation d'une onde électromagnétique en espace libre et en régime harmonique, on est capable de développer des méthodes d'optimisation numérique de la forme de surfaces rayonnantes. On cherche à minimiser un critère qui traduit en terme mathématique la tâche à effectuer d'un point de vue énergétique. Cependant, les méthodes utilisées sont souvent soumis à des difficultés liées au fait que ces problèmes sont mal posés et numériquement raides. Le contrôle étant géométrique, on a examiné dans cette thèse les contributions potentielles de représentations hiérarchiques afin d'étendre les performances d'algorithmes classiques d'optimisation. Ces extensions empruntent ses fondements aux méthodes multigrilles pour la résolution d'EDP. Un exemple théorique d'optimisation de forme permet d'assoir les stratégies appliquées à l'optimisation d'antennes. Puis des expériences numériques d'optimisation montrent que les algorithmes de bases sont améliorés en terme de robustesse comme en terme de vitesse de convergence.