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1. Coupling radiative, conductive and convective heat-transfers in a single Monte Carlo algorithm: a general theoretical framework for linear situations

Author: Jean Marc Tregan, Jean Luc Amestoy, Megane Bati, Jean-Jacques Bezian, Stéphane Blanco, Laurent Brunel, Cyril Caliot, Julien Charon, Jean-Francois Cornet, Christophe Coustet, Louis d’Alençon, Jeremi Dauchet, Sebastien Dutour, Simon Eibner, Mouna El Hafi, Vincent Eymet, Olivier Farges, Vincent Forest, Richard Fournier, Mathieu Galtier, Victor Gattepaille, Jacques Gautrais, Zili He, Frédéric Hourdin, Loris Ibarrart, Jean-Louis Joly, Paule Lapeyre, Pascal Lavieille, Marie-Helene Lecureux, Jacques Lluc, Marc Miscevic, Nada Mourtaday, Yaniss Nyffenegger-Péré, Lionel Pelissier, Lea Penazzi, Benjamin Piaud, Clément Rodrigues-Viguier, Gisele Roques, Maxime Roger, Thomas Saez, Guillaume Terrée, Najda Villefranque, Thomas Vourc’h, Daniel Yaacoub, LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT), Institut d'Optique Graduate School (IOGS), Structural Models and Tools in Computer Graphics (IRIT-STORM), Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), PhotonLyx Technology S.L., Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD), Institut Pascal (IP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne (UCA)-Institut national polytechnique Clermont Auvergne (INP Clermont Auvergne), Université Clermont Auvergne (UCA)-Université Clermont Auvergne (UCA), Méso-Star, Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - 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UMR5169 (CRCA), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), University of Waterloo [Waterloo], Education, Formation, Travail, Savoirs (EFTS), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-École Nationale Supérieure de Formation de l'Enseignement Agricole de Toulouse-Auzeville (ENSFEA), LTZ Electronique, Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - 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Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-École Nationale Supérieure de Formation de l'Enseignement Agricole de Toulouse-Auzeville (ENSFEA), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Blanco, Stephane, Amélioration et calibration des paramétrisations des nuages de couche limite à partir de simulations haute résolution - - HIGH-TUNE2016 - ANR-16-CE01-0010 - AAPG2016 - VALID, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Calcul par Monte-Carlo des forçages radiatifs à l'échelle globale - - MCG-Rad2018 - ANR-18-CE46-0012 - AAPG2018 - VALID, Laboratoires d'excellence - Innovative Mobility : Smart and Sustainable Solutions - - IMoBS32010 - ANR-10-LABX-0016 - LABX - VALID, Laboratoires d'excellence - Solar Energy, Science, Technology and Innovation for Energy Conversion - - SOLSTICE2010 - ANR-10-LABX-0022 - LABX - VALID, Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA), Université Clermont Auvergne (UCA), Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES), Université de Lyon, and Université de Lorraine (UL)
Subjects: Multidisciplinary, [PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph], [SPI.OPTI] Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic, [SPI.GPROC] Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, [PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph], [PHYS.PHYS.PHYS-COMP-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Computational Physics [physics.comp-ph], [INFO] Computer Science [cs], 64 pages, [PHYS.PHYS.PHYS-COMP-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Computational Physics [physics.comp-ph], [SPI]Engineering Sciences [physics], [SPI.MECA.THER]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph], [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, [INFO]Computer Science [cs], [PHYS.PHYS.PHYS-DATA-AN] Physics [physics]/Physics [physics]/Data Analysis, Statistics and Probability [physics.data-an], [PHYS.PHYS.PHYS-DATA-AN]Physics [physics]/Physics [physics]/Data Analysis, Statistics and Probability [physics.data-an], [SPI.MECA.THER] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph]
Abstract: International audience; It was recently shown that radiation, conduction and convection can be combined within a single Monte Carlo algorithm and that such an algorithm immediately benefits from state-of-the-art computer-graphics advances when dealing with complex geometries. The theoretical foundations that make this coupling possible are fully exposed for the first time, supporting the intuitive pictures of continuous thermal paths that run through the different physics at work. 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 the algorithmic design required by ray-tracing acceleration techniques in highly refined geometry.
Published: 2022

2. Sampling molecular state transitions in a line-by-line Monte Carlo approach to estimate radiative forcing for climate change studies

Author: NYFFENEGGER-PERE, Yaniss, Blanco, Stéphane, Dufresne, Jean-Louis, El-Hafi, Mouna, Eymet, Vincent, Forest, Vincent, Fournier, Richard, Mellado, Nicolas, Mourtaday, Nada Chems, Paulin, Mathias, Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Méso-Star, Structural Models and Tools in Computer Graphics (IRIT-STORM), Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Laboratory of Atmospheric Physics (LAP) of the Aristotle University of Thessaloniki (AUTH), International Radiation Commission (IRC) of the International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences (IAMAS), and ANR-18-CE46-0012,MCG-Rad,Calcul par Monte-Carlo des forçages radiatifs à l'échelle globale(2018)
Subjects: [SDU.STU.CL]Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences/Climatology, [PHYS.MECA.THER]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Thermics [physics.class-ph], [INFO.INFO-GR]Computer Science [cs]/Graphics [cs.GR]
Abstract: International audience; A major challenge of the beginning of the century is the nation’s actions over the terrestrial climate to counter the global warming. This warming is caused by the human activity and in particular by the emission of important amounts of greenhouse gases. Its close understanding and precise estimate are necessary to take appropriate actions and one of the driving concepts along this line is radiative forcing. This forcing is defined as the difference between two Top Of Atmosphere (TOA) radiative fluxes, both integrated spatially over all the Earth and temporally over a climatic period, the difference being due to a change of one single parameter. Here we focus on the forcing to carbon dioxide. So, our question is the estimation of the difference between two integrated TOA fluxes, before and after we change the CO2 concentration field.
Published: 2022

3. Comprehensive correlation for the prediction of the heat transfer through a single droplet in dropwise condensation regime

Author: Jérémie Lethuillier, Marc Miscevic, Pascal Lavieille, Stéphane Blanco, Christophe Coustet, Frédéric Topin, LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Méso-Star, Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI), and Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Sessile drop, [SPI]Engineering Sciences [physics], Heat transfer, Energy Engineering and Power Technology, Numerical simulation, Thermal resistance, Dropwise condensation, Industrial and Manufacturing Engineering, Correlation
Abstract: International audience; Numerical simulations have been performed to determine the conduction heat transfer in a sessile droplet for a large range of dynamic contact angle and Biot number . The substrate is set at a constant and uniform temperature, while a convective heat transfer is set at the liquid–vapor interface. In such a configuration, the heat flux is concentrated in the triple line region, so that numerical results can become inaccurate as the Biot number increases. A reference case in which the heat flux can be determined analytically has thus be established to derive an empirical criterion on the local mesh refining needed to obtain accurate numerical results. To consolidate the results obtained with a finite elements code, calculations have been performed with a completely independent tool using Monte Carlo method on a set of cases. A correlation has then been derived from the numerical results data with a maximum deviation of less than 4% in the considered range of θ and Bi, that covers conditions encountered in all the studies dealing with dropwise condensation of pure vapor. Comparisons with other laws available in literature have then been performed, evidencing some important discrepancies.
Published: 2022

4. Une estimation exacte du forçage radiatif par la méthode de Monte-Carlo

Author: NYFFENEGGER-PERE, Yaniss, Blanco, Stéphane, Dufresne, Jean-Louis, El-Hafi, Mouna, Eymet, Vincent, Forest, Vincent, Fournier, Richard, Paulin, Mathias, Mellado, Nicolas, Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Méso-Star, Structural Models and Tools in Computer Graphics (IRIT-STORM), Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), and ANR-18-CE46-0012,MCG-Rad,Calcul par Monte-Carlo des forçages radiatifs à l'échelle globale(2018)
Subjects: [PHYS.MECA.THER]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Thermics [physics.class-ph], [INFO.INFO-GR]Computer Science [cs]/Graphics [cs.GR]
Abstract: National audience; Nous souhaitons estimer le flux radiatif quittant la Terre intégré sur l'infrarouge thermique, sur toute la surface du globe et sur une période climatique de longue durée. Ce calcul est réputé très difficile à réaliser si on ne fait pas de simplifications de la description fréquentielle, spatiale ou temporelle (e.g. passer d'un modèle raie-par-raie à un modèle de bande, utiliser une discrétisation temporelle plus grossière, etc). Nous montrons que la méthode de Monte Carlo permet d'éviter ces simplifications si on associe les deux idées suivantes : introduire des collisionneurs fictifs pour permettre le suivi de rayon sans connaissance du champ de coefficient d'extinction et échantillonner statistiquement les raies spectrales. Nous montrons qu'il n'est pas plus coûteux de réaliser cette intégration sur un jour ou un mois, sur une colonne atmosphérique ou sur toute la Terre, ou finalement sur une bande étroite fréquentielle ou sur tout le spectre infrarouge.
Published: 2022

5. The 'teapot in a city': A paradigm shift in urban climate modeling: Review

Author: Najda Villefranque, Frédéric Hourdin, Louis d’Alençon, Stéphane Blanco, Olivier Boucher, Cyril Caliot, Christophe Coustet, Jérémi Dauchet, Mouna El Hafi, Vincent Eymet, Olivier Farges, Vincent Forest, Richard Fournier, Jacques Gautrais, Valéry Masson, Benjamin Piaud, Robert Schoetter, Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT), Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Méso-Star, Institut Pascal (IP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne (UCA)-Institut national polytechnique Clermont Auvergne (INP Clermont Auvergne), Université Clermont Auvergne (UCA)-Université Clermont Auvergne (UCA), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA ), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Recherches sur la Cognition Animale - UMR5169 (CRCA), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-21-CE46-0013,MC2,Simulations Monte-Carlo pour la Météorologie et la Climatologie(2021), and ANR-18-CE46-0012,MCG-Rad,Calcul par Monte-Carlo des forçages radiatifs à l'échelle globale(2018)
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], Multidisciplinary
Abstract: International audience; Urban areas are a high-stake target of climate change mitigation and adaptation measures. To understand, predict, and improve the energy performance of cities, the scientific community develops numerical models that describe how they interact with the atmosphere through heat and moisture exchanges at all scales. In this review, we present recent advances that are at the origin of last decade’s revolution in computer graphics, and recent breakthroughs in statistical physics that extend well-established path-integral formulations to nonlinear coupled models. We argue that this rare conjunction of scientific advances in mathematics, physics, computer, and engineering sciences opens promising avenues for urban climate modeling and illustrate this with coupled heat transfer simulations in complex urban geometries under complex atmospheric conditions. We highlight the potential of these approaches beyond urban climate modeling for the necessary appropriation of the issues at the heart of the energy transition by societies.
Published: 2022

6. Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries

Author: Dauchet, Jérémi, Charon, Julien, Brunel, Laurent, Coustet, Christophe, Blanco, Stéphane, Cornet, Jean-François, El-Hafi, Mouna, Eymet, Vincent, Forest, Vincent, Fournier, Richard, Gros, Fabrice, Piaud, Benjamin, Vourc’h, Thomas, Institut Pascal (IP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne (UCA)-Institut national polytechnique Clermont Auvergne (INP Clermont Auvergne), Université Clermont Auvergne (UCA)-Université Clermont Auvergne (UCA), École Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA), PhotonLyx Technology S.L., Meso-Star, Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Méso-Star, Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), and Université de Toulouse (UT)
Subjects: [PHYS.PHYS.PHYS-OPTICS]Physics [physics]/Physics [physics]/Optics [physics.optics], [PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph], FOS: Physical sciences, Computational Physics (physics.comp-ph), [PHYS.PHYS.PHYS-COMP-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Computational Physics [physics.comp-ph], [SPI.ELEC]Engineering Sciences [physics]/Electromagnetism, Biological Physics (physics.bio-ph), Physics - Data Analysis, Statistics and Probability, [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, Physics - Biological Physics, Physics - Computational Physics, [PHYS.PHYS.PHYS-DATA-AN]Physics [physics]/Physics [physics]/Data Analysis, Statistics and Probability [physics.data-an], Data Analysis, Statistics and Probability (physics.data-an), Physics - Optics, Optics (physics.optics)
Abstract: Relying on Feynman-Kac path-integral methodology, we present a new statistical perspective on wave single-scattering by complex three-dimensional objects. The approach is implemented on three models -- Schiff approximation, Born approximation and rigorous Born series -- and usual interpretative difficulties such as the analysis of moments over scatterer distributions (size, orientation, shape...) are addressed. In terms of computational contribution, we show that commonly recognized features of Monte Carlo method with respect to geometric complexity can now be available when solving electromagnetic scattering.
Published: 2022
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7. Null-collision meshless Monte-Carlo - A new reverse Monte-Carlo algorithm designed for laser-source emission in absorbing/scattering inhomogeneous media

Author: Richard Fournier, M. El Hafi, Vincent Eymet, M. Sans, Najda Villefranque, Vincent Forest, Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Méso-Star, Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-18-CE05-0015,ASTORIA,Prise en compte de la morphologie des suies dans l'évaluation du rayonnement thermique des flammes et pour leurs diagnostics optiques dans des systèmes complexes(2018), Meso-Star, Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, and Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Météo France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Computer-generated image, Radiation, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Computer science, Null-Collision algorithm, Monte Carlo method, Solid angle, Reverse Monte Carlo, Laser emission, 01 natural sciences, Monte-Carlo method, Atomic and Molecular Physics, and Optics, Collimated light, Convergence (routing), Path integral formulation, Radiative transfer, [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic, Algorithm, Spectroscopy, Monte Carlo algorithm, 0105 earth and related environmental sciences, Heterogeneous media
Abstract: International audience; Over recent decades, numerous studies in a myriad of research fields have improved the efficiency of the Monte-Carlo method to solve radiative transfers in heterogeneous media. The formalization of the concept of path integral formulation on which the construction of the random trajectories is based has made it possible to lay down a convenient framework to investigate sampling strategies and to design adapted low-variance algorithms. Our study focuses on the particular case of laser emission, which corresponds to a spatially-localized source emitting in a low solid angle, which partially illuminates the environment. In this case, the intrinsic characteristics of the laser emission cause problems of convergence with a Monte-Carlo method due to the difficulty in statistically linking sensors (probe points) to sources. This paper proposes, using integral formulation and a Null-Collision Algorithm (NCA), a practicable and simply implementable method to avoid such constraints. The intensity is broken down into a direct and a scattered term (local estimate technique). Then, a reworking of the various integral terms makes it possible to propose a complete algorithm adapted to a collimated source partially illuminating the studied scene. Non-zero contributions are brought more continuously to the Monte-Carlo weight and variance is strongly reduced. The entire methodology, from integral formulation to algorithmic interpretation, is presented step by step. For validation purposes, a new reverse and optimized Monte-Carlo algorithm is compared with an analogous Monte-Carlo for estimation of flux absorbed by a wall in an academic configuration, which ensures benchmark results. As the current proposed algorithm is highly suitable for building computer-generated images (probe calculation), the propagation of light due to laser emission through inhomogeneous environments is then illustrated by the construction of such images. This new tool provides useful support for experimental characterization of the radiative behaviour of particles.
Published: 2021

8. Synthèse d'images infrarouges sans calcul préalable du champ de température

Author: Vincent Eymet, Forest Vincent, Benjamin Piaud, Christophe Coustet, Richard Fournier, Stéphane Blanco, Loris Ibarrart, Jean-Marc Tregan, Pascal Lavieille, Cyril Caliot, Mouna El-Hafi, Jean-Jacques Bézian, Rémi Bouchie, Mathieu Galtier, Maxime Roger, Jérémi Dauchet, Olivier Farges, Christophe Péniguel, Isabelle Rupp, Genevière Eymet, Meso-Star, Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA ), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Mécanique des Fluides, Energies et Environnement (EDF R&D MFEE), EDF R&D (EDF R&D), EDF (EDF)-EDF (EDF), Lycée Victor Hugo Gaillac, Méso-Star, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Farges, Olivier
Subjects: [SPI.MECA.THER]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph], [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [SPI.MECA.THER] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph]
Abstract: National audience; Nous presentons un ensemble d’algorithmes statistiques permettant d’effectuer le rendu d’une image thermique, en régime instationnaire, dans une scène quelconque. Simuler le signal reçu par chaque pixel de la camera consiste à propager les sources thermiques (conditions aux limites et initiales) par les phenomènes de conduction, convection et rayonnement. La technique ne nécessite pas un calcul préalable du champ de température en tout point de la scène et en tout temps. Un exemple en geométrie complexe est présenté, et qualitativement comparé à une prise de vue.
Published: 2019

9. Addressing nonlinearities in Monte Carlo

Author: Jérémi, Dauchet, Jean-Jacques, Bezian, Stéphane, Blanco, Cyril, Caliot, Julien, Charon, Christophe, Coustet, Mouna, El Hafi, Vincent, Eymet, Olivier, Farges, Vincent, Forest, Richard, Fournier, Mathieu, Galtier, Jacques, Gautrais, Anaïs, Khuong, Lionel, Pelissier, Benjamin, Piaud, Maxime, Roger, Guillaume, Terrée, Sebastian, Weitz, Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Méso-Star, Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA ), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Recherches sur la Cognition Animale - UMR5169 (CRCA), Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Education, Formation, Travail, Savoirs (EFTS), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-École Nationale Supérieure de Formation de l'Enseignement Agricole de Toulouse-Auzeville (ENSFEA), This work was sponsored by the French National Centre for Scientific Research (CNRS) through the PEPS-JCJC OPTISOL_Mu program, by the French Agence Nationale de la Recherche (ANR) under grant ANR-16-CE01-0010 (project High-Tune), by the Region Occitanie under grant CLE-2016-EDStar and by the French government research-program 'Investissements d’avenir' through the LABEXs ANR-10-LABX-16-01 IMobS3 and ANR-10-LABX-22-01 SOLSTICE and the ATS program ALGUE of IDEX ANR-11-IDEX-02 UNITI., ANR-16-CE01-0010,HIGH-TUNE,Amélioration et calibration des paramétrisations des nuages de couche limite à partir de simulations haute résolution(2016), ANR-10-LABX-0016,IMoBS3,Innovative Mobility : Smart and Sustainable Solutions(2010), ANR-10-LABX-0022,SOLSTICE,Solar Energy, Science, Technology and Innovation for Energy Conversion(2010), ANR-11-IDEX-0002,UNITI,Université Fédérale de Toulouse(2011), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Meso-Star, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Centre de Recherches sur la Cognition Animale (CRCA), Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-École Nationale Supérieure de Formation de l'Enseignement Agricole de Toulouse-Auzeville (ENSFEA), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020]), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), and Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Subjects: lcsh:R, Statistics, lcsh:Medicine, FOS: Physical sciences, Computational Physics (physics.comp-ph), Bioenergetics, Article, [SPI]Engineering Sciences [physics], Nonlinear Dynamics, Data Interpretation, Statistical, Planetary science, Computer Simulation, lcsh:Q, Statistical physics, lcsh:Science, Monte Carlo Method, Physics - Computational Physics, Applied optics, Algorithms
Abstract: Monte Carlo is famous for accepting model extensions and model refinements up to infinite dimension. However, this powerful incremental design is based on a premise which has severely limited its application so far: a state-variable can only be recursively defined as a function of underlying state-variables if this function is linear. Here we show that this premise can be alleviated by projecting nonlinearities onto a polynomial basis and increasing the configuration space dimension. Considering phytoplankton growth in light-limited environments, radiative transfer in planetary atmospheres, electromagnetic scattering by particles, and concentrated solar power plant production, we prove the real-world usability of this advance in four test cases which were previously regarded as impracticable using Monte Carlo approaches. We also illustrate an outstanding feature of our method when applied to acute problems with interacting particles: handling rare events is now straightforward. Overall, our extension preserves the features that made the method popular: addressing nonlinearities does not compromise on model refinement or system complexity, and convergence rates remain independent of dimension. Published: Dauchet J, Bezian J-J, Blanco S, Caliot C, Charon J, Coustet C, El Hafi M, Eymet V, Farges O, Forest V, Fournier R, Galtier M, Gautrais J, Khuong A, Pelissier L, Piaud B, Roger M, Terr\'ee G, Weitz S (2018) Addressing nonlinearities in Monte Carlo. Sci. Rep. 8: 13302, DOI:10.1038/s41598-018-31574-4, Comment: 36 pages, 6 figues
Published: 2018

10. Combined conductive-convective-radiative heat transfer in complex geometry using the Monte Carlo method: application to solar receivers

Author: Loris Ibarrart, Cyril Caliot, Mouna El HAFI, Fournier, Richard A., Stéphane Blanco, Sébastien Dutour, Jeremi Dauchet, Jean-Marc Tregan, Vincent Eymet, Forest Vincent, Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Meso-Star, THE HEAT AND MASS TRANSFER SOCIETY OF CHINA, TSINGHUA UNIVERSITY, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Méso-Star, Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), and SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], Radiation, Computational methods, Porous media, Conduction, Convection, Monte Carlo
Abstract: International audience; Deterministic methods are commonly used to solve coupled conductive-convective-radiative systems in threedimensional geometries (3D). With the increasing amount and accuracy of data available, and growing complexity of systems studied, these methods have to deal with endless increases in computation times. This article presents a stochastic method for the simulation of the heat balance equation in solids and fluids with known velocity fields, as well as coupled surface to surface radiative transfers. The construction of the corresponding algorithm is comprehensively detailed and results are compared to deterministic simulations. The presented method uses a Monte Carlo approach and is shown to preserve short computation times for complex geometries.
Published: 2018

11. Monte Carlo efficiency improvement by multiple sampling of conditioned integration variables

Author: Mouna El Hafi, Jrmi Dauchet, Richard Fournier, Stphane Blanco, Vincent Eymet, Jacques Gautrais, Olivier Farges, Julien Charon, Sebastian Weitz, Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD), Méso-Star, Centre de Recherches sur la Cognition Animale - UMR5169 (CRCA), Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse (CHU Toulouse)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Meso-Star, Centre de Recherches sur la Cognition Animale (CRCA), Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), and Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Mathematical optimization, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Physics and Astronomy (miscellaneous), Computer science, Monte Carlo method, Slice sampling, statistical physics, 01 natural sciences, Hybrid Monte Carlo, symbols.namesake, [SPI]Engineering Sciences [physics], Quasi-Monte Carlo method, 0105 earth and related environmental sciences, Numerical Analysis, Applied Mathematics, 010401 analytical chemistry, Rejection sampling, Markov chain Monte Carlo, 0104 chemical sciences, Computer Science Applications, Monte Carlo in complex geometry, Computational Mathematics, Monte Carlo efficiency, Modeling and Simulation, symbols, Monte Carlo integration, Algorithm, Importance sampling
Abstract: We present a technique that permits to increase the efficiency of multidimensional Monte Carlo algorithms when the sampling of the first, unconditioned random variable consumes much more computational time than the sampling of the remaining, conditioned random variables while its variability contributes only little to the total variance. This is in particular relevant for transport problems in complex and randomly distributed geometries. The proposed technique is based on an new Monte Carlo estimator in which the conditioned random variables are sampled more often than the unconditioned one. A significant contribution of the present Short Note is an automatic procedure for calculating the optimal number of samples of the conditioned random variable per sample of the unconditioned one. The technique is illustrated by a current research example where it permits to increase the efficiency by a factor 100. Increase of multidimensional Monte Carlo algorithms efficiency.Significant improvements when considering complex and randomly distributed geometries.Automatic procedure to determine the optimal number of samples.General concept easily applicable to several fields.
Published: 2016

12. Radiative transfer and spectroscopic databases: A line-sampling Monte Carlo approach

Author: Richard Fournier, Guillaume Terrée, Jérémi Dauchet, Stéphane Blanco, Vincent Eymet, Christophe Spiesser, Mathieu Galtier, Maxime Roger, Mouna El Hafi, Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Institut Pascal (IP), Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand 2 (UBP)-SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Meso-Star, Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon ( CETHIL ), Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement ( RAPSODEE ), Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux ( IMT Mines Albi ), Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie [Toulouse] ( LAPLACE ), Institut National Polytechnique [Toulouse] ( INP ) -Université Paul Sabatier - Toulouse 3 ( UPS ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Institut Pascal ( IP ), Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand 2 ( UBP ) -Sigma CLERMONT ( Sigma CLERMONT ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), and Méso-Star
Subjects: Physics, Radiation, 010504 meteorology & atmospheric sciences, Database, Monte Carlo method, computer.software_genre, [ SPI.MECA.THER ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph], 01 natural sciences, Atomic and Molecular Physics, and Optics, Hybrid Monte Carlo, 0103 physical sciences, Dynamic Monte Carlo method, Radiative transfer, [SPI.MECA.THER]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph], Monte Carlo integration, Monte Carlo method in statistical physics, 010303 astronomy & astrophysics, computer, Spectroscopy, Monte Carlo algorithm, 0105 earth and related environmental sciences, Monte Carlo molecular modeling
Abstract: Issu de : Eurotherm conference n° 105 - Computational thermal radiation in participating media V, Albi, FRANCE, 1-3 April 2015; International audience; Dealing with molecular-state transitions for radiative transfer purposes involves two successive steps that both reach the complexity level at which physicists start thinking about statistical approaches: (1) constructing line-shaped absorption spectra as the result of very numerous state-transitions, (2) integrating over optical-path domains. For the first time, we show here how these steps can be addressed simultaneously using the null-collision concept. This opens the door to the design of Monte Carlo codes directly estimating radiative transfer observables from spectroscopic databases. The intermediate step of producing accurate high-resolution absorption spectra is no longer required. A Monte Carlo algorithm is proposed and applied to six one-dimensional test cases. It allows the computation of spectrally integrated intensities (over 25 cm−1 bands or the full IR range) in a few seconds, regardless of the retained database and line model. But free parameters need to be selected and they impact the convergence. A first possible selection is provided in full detail. We observe that this selection is highly satisfactory for quite distinct atmospheric and combustion configurations, but a more systematic exploration is still in progress.
Published: 2016

13. Analysis of the radiative budget of Venus atmosphere based on infrared Net Exchange Rate formalism

Author: Lebonnois, Sebastien, Eymet, Vincent, Lee, Christopher, d'Ollone, Jan Vatant, Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Département des Géosciences - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-École polytechnique (X)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC), Meso-Star, Ashima Research, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), and Méso-Star
Subjects: [SDU.STU.PL]Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences/Planetology, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: International audience
Published: 2015

14. Line-sampling-based Monte Carlo method

Author: Mathieu Galtier, Frédéric André, Stéphane Blanco, Jérémi Dauchet, Mouna El-Hafi, Vincent Eymet, Fournier, Richard A., Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Thermique de Lyon (CETHIL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Institut Pascal (IP), SIGMA Clermont (SIGMA Clermont)-Université Clermont Auvergne [2017-2020] (UCA [2017-2020])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Meso-Star, Galtier, Mathieu, Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT), and Méso-Star
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], [SPI] Engineering Sciences [physics], [SPI.MECA.THER]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph], [SPI.MECA.THER] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Thermics [physics.class-ph]
Abstract: International audience; Null-collision Monte Carlo algorithms [1, 2, 3, 4] consist in adding a virtual null-collision coefficient to the real extinction one. These collisions, corresponding to pure forward scattering events, have no effect on the radiative transfer equation. A direct consequence of their introduction is that the resulting extinction coefficientˆβcoefficientˆ coefficientˆβ (defined as the sum of absorption, scattering and null-collision coefficients) can be defined arbitrarily. It can then be chosen as simple as desired to guarantee a rigorous free path sampling whatever the heterogeneity of the medium properties (pressure, temperature, mole fractions). The intermediate step of producing meshes, that can be the source of unquantifiable bias, is no longer required. In more formal terms, the exponential extinction term does not depend on the real extinction coefficient anymore, but only on the arbitrary fieldˆβfieldˆ fieldˆβ. Thereby, the absorption coefficient appears only in a linear form in the recursive integral formulation of radiative transfer equation. Then it becomes possible when studying thermal radiation in a gaseous mixture to decompose the absorption coefficient as the sum of contributions of each molecular transition (or line) for each considered species. This opens the door to the development of reference methods for which the costly step of producing numerous high-resolution absorption spectra vanishes. The absorption coefficient evaluation is no more required, only some molecular transitions are sampled during the Monte Carlo simulation and their exact contribution to absorption coefficient (for a given wavenum-ber and a given location) are computed from parameters gathered in molecular spectroscopic databases [5, 6, 7]. Nevertheless, it implies that probabilities must be associated to each molecular species and to each transition. The choice of these probabilities is fully arbitrary and has only an influence on the convergence rate of the algorithm. Such a probabilistic model is proposed, and the considered Monte Carlo approach is tested and validated against six unidimensional and non-scattering configurations gathered by André and Vaillon in [8]. The description of these cases, that cover a wide variety of high-temperature applications, is depicted in Fig. 1.

15. Transfer function estimation with SMC method for combined heat transfer: insensitivity to detail refinement of complex geometries

Author: Léa Penazzi, Stéphane Blanco, Cyril Caliot, Christophe Coustet, Mouna El HAFI, Fournier, Richard A., Jacques Gautrais, Morgan Sans, Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (RAPSODEE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre (LAPLACE-GREPHE), LAboratoire PLasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Méso-Star, Centre de Recherches sur la Cognition Animale - UMR5169 (CRCA), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), IMT Mines Albi, IMT Mines Albi, Meso-Star, Centre de Recherches sur la Cognition Animale (CRCA), Centre de Biologie Intégrative (CBI), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut des sciences du cerveau de Toulouse. (ISCT), and Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-CHU Toulouse [Toulouse]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], [SPI] Engineering Sciences [physics]
Abstract: International audience; The optimization of thermal transfers in engineering systems such as heat exchangers requires the analysis of the influence of heat sources upon the temperature at various positions of interest in the studied system. In order to achieve the resolution of the combined modes of heat transfer through these systems, their couplings and the complex 3D geometries involved need to be integrated with full accuracy. Recent developments in probabilistic formulations in the context of transient combined heat transfer (linearized conduction-radiation-convection) have opened a new route to solving such problems with Monte Carlo (MC) algorithms, using state-of-the-art computer graphics digital libraries to handle complex geometries. To estimate the temperature at a probe point of interest, random paths are generated from its position and propagated through the geometry until a known temperature is reached. From a single MC calculation to sample the path statistics, the Symbolic Monte Carlo (SMC) method is used to express the probe temperature as a linear function of the sources. This function can then be used to estimate the probe temperature for any source values, alleviating the need to repeat Monte-Carlo simulations for each source condition, resulting in greatly reduced computation time. This approach is applied to the case of an open-cavity porous medium and computation time insensitivity to the complexity and fineness of the geometry is demonstrated.

16. Spectrally refined unbiased Monte Carlo estimate of the Earth's global radiative cooling.

Author: Nyffenegger-Péré Y, Armante R, Bati M, Blanco S, Dufresne JL, Hafi ME, Eymet V, Forest V, Fournier R, Gautrais J, Lebrun R, Mellado N, Mourtaday N, and Paulin M
Abstract: The Earth's radiative cooling is a key driver of climate. Determining how it is affected by greenhouse gas concentration is a core question in climate-change sciences. Due to the complexity of radiative transfer processes, current practices to estimate this cooling require the development and use of a suite of radiative transfer models whose accuracy diminishes as we move from local, instantaneous estimates to global estimates over the whole globe and over long periods of time (decades). Here, we show that recent advances in nonlinear Monte Carlo methods allow a paradigm shift: a completely unbiased estimate of the Earth's infrared cooling to space can be produced using a single model, integrating the most refined spectroscopic models of molecular gas energy transitions over a global scale and over years, all at a very low computational cost (a few seconds)., Competing Interests: Competing interests statement:The authors declare no competing interest.
Published: 2024
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17. Coupling radiative, conductive and convective heat-transfers in a single Monte Carlo algorithm: A general theoretical framework for linear situations.

Author: Tregan JM, Amestoy JL, Bati M, Bezian JJ, Blanco S, Brunel L, Caliot C, Charon J, Cornet JF, Coustet C, d'Alençon L, Dauchet J, Dutour S, Eibner S, El Hafi M, Eymet V, Farges O, Forest V, Fournier R, Galtier M, Gattepaille V, Gautrais J, He Z, Hourdin F, Ibarrart L, Joly JL, Lapeyre P, Lavieille P, Lecureux MH, Lluc J, Miscevic M, Mourtaday N, Nyffenegger-Péré Y, Pelissier L, Penazzi L, Piaud B, Rodrigues-Viguier C, Roques G, Roger M, Saez T, Terrée G, Villefranque N, Vourc'h T, and Yaacoub D
Subjects: Computer Simulation, Physical Phenomena, Algorithms, Monte Carlo Method, Hot Temperature, Convection
Abstract: It was recently shown that radiation, conduction and convection can be combined within a single Monte Carlo algorithm and that such an algorithm immediately benefits from state-of-the-art computer-graphics advances when dealing with complex geometries. The theoretical foundations that make this coupling possible are fully exposed for the first time, supporting the intuitive pictures of continuous thermal paths that run through the different physics at work. 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 the algorithmic design required by ray-tracing acceleration techniques in highly refined geometry., Competing Interests: The authors have declared that no competing interests exist., (Copyright: © 2023 Tregan et al. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.)
Published: 2023
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18. The "teapot in a city": A paradigm shift in urban climate modeling.

Author: Villefranque N, Hourdin F, d'Alençon L, Blanco S, Boucher O, Caliot C, Coustet C, Dauchet J, El Hafi M, Eymet V, Farges O, Forest V, Fournier R, Gautrais J, Masson V, Piaud B, and Schoetter R
Abstract: Urban areas are a high-stake target of climate change mitigation and adaptation measures. To understand, predict, and improve the energy performance of cities, the scientific community develops numerical models that describe how they interact with the atmosphere through heat and moisture exchanges at all scales. In this review, we present recent advances that are at the origin of last decade's revolution in computer graphics, and recent breakthroughs in statistical physics that extend well-established path-integral formulations to nonlinear coupled models. We argue that this rare conjunction of scientific advances in mathematics, physics, computer, and engineering sciences opens promising avenues for urban climate modeling and illustrate this with coupled heat transfer simulations in complex urban geometries under complex atmospheric conditions. We highlight the potential of these approaches beyond urban climate modeling for the necessary appropriation of the issues at the heart of the energy transition by societies.
Published: 2022
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19. Addressing nonlinearities in Monte Carlo.

Author: Dauchet J, Bezian JJ, Blanco S, Caliot C, Charon J, Coustet C, El Hafi M, Eymet V, Farges O, Forest V, Fournier R, Galtier M, Gautrais J, Khuong A, Pelissier L, Piaud B, Roger M, Terrée G, and Weitz S
Subjects: Algorithms, Computer Simulation, Data Interpretation, Statistical, Monte Carlo Method, Nonlinear Dynamics
Abstract: Monte Carlo is famous for accepting model extensions and model refinements up to infinite dimension. However, this powerful incremental design is based on a premise which has severely limited its application so far: a state-variable can only be recursively defined as a function of underlying state-variables if this function is linear. Here we show that this premise can be alleviated by projecting nonlinearities onto a polynomial basis and increasing the configuration space dimension. Considering phytoplankton growth in light-limited environments, radiative transfer in planetary atmospheres, electromagnetic scattering by particles, and concentrated solar power plant production, we prove the real-world usability of this advance in four test cases which were previously regarded as impracticable using Monte Carlo approaches. We also illustrate an outstanding feature of our method when applied to acute problems with interacting particles: handling rare events is now straightforward. Overall, our extension preserves the features that made the method popular: addressing nonlinearities does not compromise on model refinement or system complexity, and convergence rates remain independent of dimension.
Published: 2018
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19 results on '"Méso-Star"'

1. Coupling radiative, conductive and convective heat-transfers in a single Monte Carlo algorithm: a general theoretical framework for linear situations

2. Sampling molecular state transitions in a line-by-line Monte Carlo approach to estimate radiative forcing for climate change studies

3. Comprehensive correlation for the prediction of the heat transfer through a single droplet in dropwise condensation regime

4. Une estimation exacte du forçage radiatif par la méthode de Monte-Carlo

5. The 'teapot in a city': A paradigm shift in urban climate modeling: Review

6. Wave-Scattering processes: path-integrals designed for the numerical handling of complex geometries

7. Null-collision meshless Monte-Carlo - A new reverse Monte-Carlo algorithm designed for laser-source emission in absorbing/scattering inhomogeneous media

8. Synthèse d'images infrarouges sans calcul préalable du champ de température

9. Addressing nonlinearities in Monte Carlo

10. Combined conductive-convective-radiative heat transfer in complex geometry using the Monte Carlo method: application to solar receivers

11. Monte Carlo efficiency improvement by multiple sampling of conditioned integration variables

12. Radiative transfer and spectroscopic databases: A line-sampling Monte Carlo approach

13. Analysis of the radiative budget of Venus atmosphere based on infrared Net Exchange Rate formalism

14. Line-sampling-based Monte Carlo method

15. Transfer function estimation with SMC method for combined heat transfer: insensitivity to detail refinement of complex geometries

16. Spectrally refined unbiased Monte Carlo estimate of the Earth's global radiative cooling.

17. Coupling radiative, conductive and convective heat-transfers in a single Monte Carlo algorithm: A general theoretical framework for linear situations.

18. The "teapot in a city": A paradigm shift in urban climate modeling.

19. Addressing nonlinearities in Monte Carlo.

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