Stochastic particle models: mean reversion and burgers dynamics. An application to commodity markets

The aim of this study is to propose a stochastic model for commodity markets linked with the Burgers equation from fluid dynamics. We construct a stochastic particles method for commodity markets, in which particles represent market participants. A discontinuity in the model is included through an interacting kernel equal to the Heaviside function and its link with the Burgers equation is given. The Burgers equation and the connection of this model with stochastic differential equations are also studied. Further, based on the law of large numbers, we prove the convergence, for large N, of a system of stochastic differential equations describing the evolution of the prices of N traders to a deterministic partial differential equation of Burgers type. Numerical experiments highlight the success of the new proposal in modeling some commodity markets, and this is confirmed by the ability of the model to reproduce price spikes when their effects occur in a sufficiently long period of time.

A computational fluid dynamic study on the filtering mechanics in suspension feeding marine invertebrates

Les suspensivores ont la tâche importante de séparer les particules de l'eau. Bien qu'une grande gamme de morphologies existe pour les structures d'alimentation, elles sont pratiquement toutes constituées de rangées de cylindres qui interagissent avec leur environnement fluide. Le mécanisme de capture des particules utilisé dépend des contraintes morphologiques, des besoins énergétiques et des conditions d'écoulement. Comme nos objectifs étaient de comprendre ces relations, nous avons eu recours à des études de comparaison pour interpréter les tendances en nature et pour comprendre les conditions qui provoquent de nouveaux fonctionnements. Nous avons utilisé la dynamique des fluides numérique (computational fluid dynamics, CFD) pour créer des expériences contrôlées et pour simplifier les analyses. Notre première étude démontre que les coûts énergétiques associés au pompage dans les espaces petits sont élevés. De plus, le CFD suggère que les fentes branchiales des ptérobranches sont des structures rudimentaires, d'un ancêtre plus grande. Ce dernier point confirme l'hypothèse qu'un ver se nourrit par filtration tel que l'ancêtre des deuterostomes. Notre deuxième étude détermine la gamme du nombre de Reynolds number critique où la performance d'un filtre de balane change. Quand le Re est très bas, les différences morphologiques n'ont pas un grand effet sur le fonctionnement. Cependant, une pagaie devient une passoire lorsque le Re se trouve entre 1 et 3,5. Le CFD s’est dévoilé être un outil très utile qui a permis d’obtenir des détails sur les microfluides. Ces études montrent comment la morphologie et les dynamiques des fluides interagissent avec la mécanisme de capture ou de structures utilisées, ainsi que comment des petits changements de taille, de forme, ou de vitesse d'écoulement peuvent conduire à un nouveau fonctionnement.

The hypotensive effect of exercise on IOP : an interaction of physical fitness and parasympathetic efficacy

RÉSUMÉ Suite à une centaine de publications sur la réduction de la PIO post-exercice, il est connu que parmi un grand nombre de programme d'exercices de différentes durées et intensités, les effets hypotenseurs de l'exercice sur la PIO sont atténués chez les sujets en bonne condition physique. Le mécanisme proposé est l'augmentation potentielle de l'efficacité du système parasympathique avec l'activité physique. Le principal objectif de cette thèse est d'identifier les facteurs contribuants à la réduction de la PIO post-exercice et d'élucider les différents mécanismes possibles. L'étude 1, une méta-analyse, a été menée afin de quantifier les contributions relatives de l'intensité et de la durée de l'effet de l'exercice sur la PIO et la mesure dans laquelle ces variables affectent les sujets sédentaires et normalement actifs. La tendance ressortant des résultats est que la diminution de la PIO suite à de l'exercice aérobie est plus élevée chez les sujets sédentaires que les sujets en bonne condition physique. (ES = -4.198 mm Hg et -2.340 mm Hg, respectivement). L'absence d'un contrôle des liquides ingérés avant l'activité physique est à souligné dans cette étude. L'hyperosmolarité (un effet secondaire de la déshydratation) est l'un des mécanismes proposés influant l'effet hypotenseur de l'exercice. L'étude 2 comparait la réduction de la PIO dans deux conditions, soit hypohydraté et hyperhydraté, avant, pendant et après un effort de 90 minutes sur un ergocycle. Après une diminution initiale pour les deux conditions, la PIO revient aux valeurs de départ pour la condition hypohydratée malgré une perte de poids significative et elle augmente pour la condition hyperhydratée (résultat du protocole d'hydratation). Étant donné le niveau élevé de participants en bonne condition physique dans l'étude 2, la troisième étude a été conçue afin de etude la relation entre la PIO et la condition physique. À l'aide d'analyses corrélationnelles il a été possible d'observer la relation entre le test de vo2max et la moyenne des mesures de PIO prises sur un intervalle de huit semaines. Une relation significative n'existait que pour les participants se situant dans la portion supérieure du continuum de la condition physique. Conclusion: Les résultats de la présente étude suggèrent que l'effet hypotenseur de l'exercice sur la PIO est probablement une réponse homéostatique à la dérégulation de l'humeur aqueuse causée par l'initiation de l'exercice et le protocole d'ingestion de fluides pré-exercice.

Density modes in spherical 4He shells

We compute the density-fluctuation spectrum of spherical 4HeN shells adsorbed on the outer surface of Cn fullerenes. The excitation spectrum is obtained within the random-phase approximation, with particle-hole elementary excitations and effective interaction extracted from a density-functional description of the shell structure. The presence of one or two solid helium layers adjacent to the adsorbing fullerene is phenomenologically accounted for. We illustrate our results for a selection of numbers of adsorbed atoms on C20, C60, and C120. The hydrodynamical model that has proven successful to describe helium excitations in the bulk and in restricted geometries permits to perform a rather exhaustive analysis of various fluid spherical systems, namely, spheres, cavities, free bubbles, and bound shells of variable size.

Fluid mechanics-non-linear waves studies on korteweg-de vries equations

In this thesis the author has presented qualitative studies of certain Kdv equations with variable coefficients. The well-known KdV equation is a model for waves propagating on the surface of shallow water of constant depth. This model is considered as fitting into waves reaching the shore. Renewed attempts have led to the derivation of KdV type equations in which the coefficients are not constants. Johnson's equation is one such equation. The researcher has used this model to study the interaction of waves. It has been found that three-wave interaction is possible, there is transfer of energy between the waves and the energy is not conserved during interaction.

Bulk and single-particle properties of hyperonic matter at finite temperature

Bulk and single-particle properties of hot hyperonic matter are studied within the Brueckner-Hartree-Fock approximation extended to finite temperature. The bare interaction in the nucleon sector is the Argonne V18 potential supplemented with an effective three-body force to reproduce the saturating properties of nuclear matter. The modern Nijmegen NSC97e potential is employed for the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon interactions. The effect of temperature on the in-medium effective interaction is found to be, in general, very small and the single-particle potentials differ by at most 25% for temperatures in the range from 0 to 60 MeV. The bulk properties of infinite matter of baryons, either nuclear isospin symmetric or a Beta-stable composition that includes a nonzero fraction of hyperons, are obtained. It is found that the presence of hyperons can modify the thermodynamical properties of the system in a non-negligible way.

The Navier-Stokes Equations with Particle Methods

The non-stationary nonlinear Navier-Stokes equations describe the motion of a viscous incompressible fluid flow for 0

Procés de destintatge del paper per flotació. Avaluació de l'eficàcia de l'eliminació de tinta

La tesi doctoral presentada té com a objectius principals l'estudi de les etapes fonamentals de desintegració i flotació en un procés de destintatge de papers vell de qualitats elevades per a poder millorar l'eficàcia d'aquestes etapes clau. Conté una revisió teòrica completa i molt actualitzada del procés de desintegració i flotació tant a nivell macroscòpic com microscòpic. La metodologia de treball en el laboratori, la posada a punt dels aparells, així com les anàlisis efectuades per a valorar la resposta del procés (anàlisi de blancor, anàlisi d'imatge i anàlisi de la concentració efectiva de tinta residual) estan descrites en el capítol de material i mètodes. La posada en marxa permet obtenir unes primeres conclusions respecte la necessitat de treballar amb una matèria primera homogènia i respecte la no significació de la temperatura de desintegració dins l'interval de treball permès al laboratori (20-50°C). L'anàlisi de les variables mecàniques de desintegració: consistència de desintegració (c), velocitat d'agitació en la desintegració (N) i temps de desintegració (t), permet de discernir que la consistència de desintegració és una variable fonamental. El valor de consistència igual al 10% marca el límit d'existència de les forces d'impacte mecànic en la suspensió fibrosa. A consistències superiors, les forces viscoses i d'acceleració dominen l'etapa de desintegració. Existeix una interacció entre la consistència i el temps de desintegració, optimitzant-se aquesta darrera variable en funció del valor de la consistència. La velocitat d'agitació és significativa només per a valors de consistència de desintegració inferiors al 10%. En aquests casos, incrementar el valor de N de 800 a 1400 rpm representa una disminució de 14 punts en el factor de destintabilitat. L'anàlisi de les variables químiques de desintegració: concentració de silicat sòdic (% Na2SiO3), peròxid d'hidrogen (% H2O2) i hidròxid sòdic (% Na2OH), proporciona resultats força significatius. El silicat sòdic presenta un efecte altament dispersant corroborat per les corbes de distribució dels diàmetres de partícula de tinta obtingudes mitjançant anàlisi d'imatges. L'hidròxid sòdic també presenta un efecte dispersant tot i que no és tant important com el del silicat sòdic. Aquests efectes dispersants són deguts principalment a l'increment de les repulsions electrostàtiques que aporten a la suspensió fibrosa aquests reactius químics fent disminuir l'eficàcia d'eliminació de l'etapa de flotació. El peròxid d'hidrogen utilitzat generalment com agent blanquejant, actua en aquests casos com a neutralitzador dels grups hidroxil provinents tant del silicat sòdic com de l'hidròxid sòdic, disminuint la repulsió electrostàtica dins la suspensió. Amb l'anàlisi de les variables hidrodinàmiques de flotació: consistència de flotació (c), velocitat d'agitació durant la flotació (N) i cabal d'aire aplicat (q), s'aconsegueix la seva optimització dins el rang de treball permès al laboratori. Valors elevats tant de la velocitat d'agitació com del cabal d'aire aplicat durant la flotació permeten eliminar majors quantitats de tinta. La consistència de flotació assoleix valors òptims depenent de les condicions de flux dins la cel·la de flotació. Les metodologies d'anàlisi emprades permeten obtenir diferents factors de destintabilitat. Entre aquests factors existeix una correlació important (determinada pels coeficients de correlació de Pearson) que permet assegurar la utilització de la blancor com a paràmetre fonamental en l'anàlisi del destintatge de papers vells, sempre i quan es complementi amb anàlisis d'imatge o bé amb anàlisi de la concentració efectiva de tinta residual. S'aconsegueixen expressions empíriques tipus exponencial que relacionen aquests factors de destintabilitat amb les variables experimentals. L' estudi de les cinètiques de flotació permet calcular les constants cinètiques (kBlancor, kERIC, kSupimp) en funció de les variables experimentals, obtenint un model empíric de flotació que relacionant-lo amb els paràmetres microscòpics que afecten realment l'eliminació de partícules de tinta, deriva en un model fonamental molt més difícil d'interpretar. Mitjançant l'estudi d'aquestes cinètiques separades per classes, també s'aconsegueix determinar que l'eficàcia d'eliminació de partícules de tinta és màxima si el seu diàmetre equivalent és superior a 50 μm. Les partícules amb diàmetres equivalents inferiors a 15 μm no són eliminades en les condicions de flotació analitzades. Es pot dir que és físicament impossible eliminar partícules de tinta de diàmetres molt diferents amb la mateixa eficiència i sota les mateixes condicions de treball. El rendiment del procés analitzat en funció de l'eliminació de sòlids per l'etapa de flotació no ha presentat relacions significatives amb cap de les variables experimentals analitzades. Únicament es pot concloure que addicionar quantitats elevades de silicat sòdic provoca una disminució tant de sòlids com de matèria inorgànica presents en les escumes de flotació.

Surface wave processes in air-sea interaction

We review briefly recent progress on understanding the role of surface waves on the marine atmospheric boundary layer and the ocean mixed layer and give a global perspective on these processes by analysing ERA-40 data. Ocean surface waves interact with the marine atmospheric boundary layer in two broad regimes: (i) the conventional wind-driven wave regime, when fast winds blow over slower moving waves, and (ii) a wave-driven wind regime when long wavelength swell propagates under low winds, and generates a wave-driven jet in the lower part of the marine boundary layer. Analysis of ERA-40 data indicates that the wave-driven wind regime is as prevalent as the conventional wind-driven regime. Ocean surface waves also change profoundly mixing in the ocean mixed layer through generation of Langmuir circulation. Results from large-eddy simulation are used here to develop a scaling for the resulting Langmuir turbulence, which is a necessary step in developing a parametrization of the process. ERA-40 data is then used to show that the Langmuir regime is the predominant regime over much of the global ocean, providing a compelling motivation for parameterising this process in ocean general circulation models.

Engineering Pt in ceria for a maximum metal-support interaction in catalysis

Conventional supported metal catalysts are metal nanoparticles deposited on high surface area oxide supports with a poorly defined metal−support interface. Typically, the traditionally prepared Pt/ceria catalyzes both methanation (H2/CO to CH4) and water−gas shift (CO/H2O to CO2/H2) reactions. By using simple nanochemistry techniques, we show for the first time that Pt or PtAu metal can be created inside each CeO2 particle with tailored dimensions. The encapsulated metal is shown to interact with the thin CeO2 overlayer in each single particle in an optimum geometry to create a unique interface, giving high activity and excellent selectivity for the water−gas shift reaction, but is totally inert for methanation. Thus, this work clearly demonstrates the significance of nanoengineering of a single catalyst particle by a bottom-up construction approach in modern catalyst design which could enable exploitation of catalyst site differentiation, leading to new catalytic properties.

Interaction of nitrogen dioxide (NO2) with a monolayer of oleic acid at the air–water interface – A simple proxy for atmospheric aerosol

The reactions between atmospheric oxidants and organic amphiphiles at the air water interface of an aerosol droplet may affect the size and critical supersaturation required for cloud droplet formation. We demonstrate that no reaction occurs between gaseous nitrogen dioxide (1000 ppm in air) and a monolayer of an insoluble amphiphile, oleic acid (cis-9-octadecenoic acid), at the air water interface which removes material from the air water interface. We present evidence that the NO2 isomerises the cis-9-octadecenoic (oleic) acid to trans-9-octadecenoic (elaidic) acid. The study presented here is important for future and previous studies of (1) the reaction between the nitrate radical, NO3, and thin organic films as NO2 is usually present in high concentrations in these experimental systems and (2) the effect of NO2 air pollution on the unsaturated fatty acids and lipids found at the air liquid surface of human lung lining fluid.

Efficient non-linear data assimilation in geophysical fluid dynamics

New ways of combining observations with numerical models are discussed in which the size of the state space can be very large, and the model can be highly nonlinear. Also the observations of the system can be related to the model variables in highly nonlinear ways, making this data-assimilation (or inverse) problem highly nonlinear. First we discuss the connection between data assimilation and inverse problems, including regularization. We explore the choice of proposal density in a Particle Filter and show how the ’curse of dimensionality’ might be beaten. In the standard Particle Filter ensembles of model runs are propagated forward in time until observations are encountered, rendering it a pure Monte-Carlo method. In large-dimensional systems this is very inefficient and very large numbers of model runs are needed to solve the data-assimilation problem realistically. In our approach we steer all model runs towards the observations resulting in a much more efficient method. By further ’ensuring almost equal weight’ we avoid performing model runs that are useless in the end. Results are shown for the 40 and 1000 dimensional Lorenz 1995 model.

The interaction of flexural-gravity waves with periodic geometries

A periodic structure of finite extent is embedded within an otherwise uniform two-dimensional system consisting of finite-depth fluid covered by a thin elastic plate. An incident harmonic flexural-gravity wave is scattered by the structure. By using an approximation to the corresponding linearised boundary value problem that is based on a slowly varying structure in conjunction with a transfer matrix formulation, a method is developed that generates the whole solution from that for just one cycle of the structure, providing both computational savings and insight into the scattering process. Numerical results show that variations in the plate produce strong resonances about the ‘Bragg frequencies’ for relatively few periods. We find that certain geometrical variations in the plate generate these resonances above the Bragg value, whereas other geometries produce the resonance below the Bragg value. The familiar resonances due to periodic bed undulations tend to be damped by the plate.

Efficient fully nonlinear data assimilation for geophysical fluid dynamics

A potential problem with Ensemble Kalman Filter is the implicit Gaussian assumption at analysis times. Here we explore the performance of a recently proposed fully nonlinear particle filter on a high-dimensional but simplified ocean model, in which the Gaussian assumption is not made. The model simulates the evolution of the vorticity field in time, described by the barotropic vorticity equation, in a highly nonlinear flow regime. While common knowledge is that particle filters are inefficient and need large numbers of model runs to avoid degeneracy, the newly developed particle filter needs only of the order of 10-100 particles on large scale problems. The crucial new ingredient is that the proposal density cannot only be used to ensure all particles end up in high-probability regions of state space as defined by the observations, but also to ensure that most of the particles have similar weights. Using identical twin experiments we found that the ensemble mean follows the truth reliably, and the difference from the truth is captured by the ensemble spread. A rank histogram is used to show that the truth run is indistinguishable from any of the particles, showing statistical consistency of the method.

Influence of the size distribution of particles on the viscous property of an electrorheological fluid

The influence of the size distribution of particles on the viscous property of an electrorheological fluid has been investigated by the molecular dynamic simulation method. The shear stress of the fluid is found to decrease with the increase of the variance sigma(2) of the Gaussian distribution of the particle size, and then reach a steady value when sigma is larger than 0.5. This phenomenon is attributed to the influence of the particle size distribution on the dynamic structural evolution in the fluid as well as the strength of the different chain-like structures formed by the particles.