Résolution par la méthode de Monte Carlo de formulations intégrales du problème de diffusion électromagnétique par une suspension de particules à géométries complexes

Resolution by Monte Carlo method of the electromagnetic scattering by a suspension of complex-shaped particles

• Auteur / Autrice : Julien Charon
• Direction : Cyril Caliot, Jean-François Cornet, Jérémi Dauchet, Mouna El Hafi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) - Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kachkachi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémi Dauchet, Mouna El Hafi, Hamid Kachkachi, Rodolphe Vaillon, Amélie Litman, François Ménard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodolphe Vaillon, Amélie Litman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Ondes électromagnétiques -- Diffusion

Maxwell, Équations de

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Méthode de Monte Carlo

Formulation intégrale

Propriétés radiatives

Particules à géométries complexes

Diffusion électromagnétique

Monte Carlo method

Integral formulation

Radiative properties

Complex-shaped particles

Electromagnetic and light scattering

Résumé

L’étude du problème de la diffusion d’une onde électromagnétique par une suspension de particules non sphériques est une difficulté récurrente dans de nombreux domaines de la recherche et de l’ingénierie. Cela implique d’utiliser des dispositifs expérimentaux hautement spécialisés ou de résoudre les équations de Maxwell, ce qui représente un véritable défi lorsque les particules sont de géométries complexes et avec des distributions statistiques de taille, d’orientation et de forme. L’objectif de la présente thèse est d’explorer l’utilisation de la méthode de Monte Carlo pour résoudre des formulations intégrales du champ électromagnétique diffusé déduites des équations de Maxwell. En particulier, nous résolvons celles de l’approximation de Schiff, de l’approximation de Born ainsi que celle du développement en série de Born. Notre approche est basée sur un travail de reformulation intégrale permettant de concevoir des algorithmes incluant les avancées les plus récentes de la méthode. Cette approche originale, utilisant les outils de la synthèse d’image pour gérer n’importe quelle géométrie, permet de traiter des statistiques de particules ainsi que d’évaluer les sensibilités à des paramètres d’intérêts, sans augmentation significative du temps de calcul. Les outils développés répondent d’ores et déjà aux besoins d’optimisation des photobioréacteurs qui mettent en œuvre des particules à faible contraste d’indice (micro-algues). À l’issue de ce travail, des pistes de recherches ont émergé pour explorer le verrou bien identifié des grandes particules et des forts contrastes d’indice à partir du principe de zéro-variance.

The resolution of the problem of an electromagnetic wave scattered by non-spherical particles suspensions is a significant difficulty encountered in many fields of research and engineering. This implies to use highly specialized experiments or to solve Maxwell’s equations, which is a real challenge when weconsider particles with complex shapes and with statistical distributions of size, orientation and shape.The aim of this thesis is to investigate the use of the Monte Carlo method in order to solve the integral formulations of electromagnetic scattering deduced from Maxwell’s equations. In particular, we solvethose of Schiff’s approximation, Born’s approximation as well as the Born series expansion. Our approachis based on integral reformulation in order to design algorithms including the most recent advances of the method. This original approach, using computer graphics algorithms in order to manage arbitraryshape, permits treating any distributions of parameters as well as evaluating sensitivities to parameters ofinterest, without additionnal CPU time. The developed tools already meet the needs for the optimisation of photobioreactors which bring into play soft particles (micro-algae). From this work, some researchideas have emerged to explore the well-identified issue of large particles and large refractive indices from zero-variance principle.