Curvature and velocity of methane-air Bunsen flame tips.

PIV and photographic recording are used to measure the velocity of the fresh gas and the shape of the reaction layer in a region around the tip of a methane-air Bunsen flame attached to a cylindrical burner. The results compare well with numerical simulations carried out with an infinite activation energy reaction model. The experimental and numerical results confirm that the well-known linear relation between flame velocity and flame stretch derived from asymptotic theory for weakly curved and strained flames is valid for small and moderate values of the flame stretch if the modified definition of stretch introduced by Echekki and Mungal (Proc Combust Inst 23:455–461, 1990) and Poinsot et al. (Combust Sci Technol 81:45–73, 1992) is used. However, the relation between flame velocity and modified stretch ceases to be linear and approaches a square root law for large values of the stretch, when the curvature of the flame tip becomes large compared to the inverse of the thickness of a planar flame.

Linear instability of orthogonal compressible leading-edge boundary layer flow

Instability analysis of compressible orthogonal swept leading-edge boundary layer flow was performed in the context of BiGlobal linear theory. 1, 2 An algorithm was developed exploiting the sparsity characteristics of the matrix discretizing the PDE-based eigenvalue problem. This allowed use of the MUMPS sparse linear algebra package 3 to obtain a direct solution of the linear systems associated with the Arnoldi iteration. The developed algorithm was then applied to efficiently analyze the effect of compressibility on the stability of the swept leading-edge boundary layer and obtain neutral curves of this flow as a function of the Mach number in the range 0 ≤ Ma ≤ 1. The present numerical results fully confirmed the asymptotic theory results of Theofilis et al. 4 Up to the maximum Mach number value studied, it was found that an increase of this parameter reduces the critical Reynolds number and the range of the unstable spanwise wavenumbers.

Relativistic current collection by a cylindrical Langmuir probe

The current I to a cylindrical Langmuir probe with a bias Φp satisfying β≡eΦp/mec2∼O(1) is discussed. The probe is considered at rest in an unmagnetized plasma composed of electrons and ions with temperatureskTe∼kTi≪mec2. For small enough radius, the probe collects the relativistic orbital-motion-limited (OML) current I OML , which is shown to be larger than the non-relativistic result; the OML current is proportional to β1/2 and β3/2 in the limits β≪1 and β≫1, respectively. Unlike the non-relativistic case, the electron density can exceed the unperturbed density value. An asymptotic theory allowed to compute the maximum radius of the probe to collect OML current, the sheath radius for probe radius well below maximum and how the ratio I/I OML drops below unity when the maximum radius is exceeded. A numerical algorithm that solves the Vlasov-Poisson system was implemented and density and potential profiles presented. The results and their implications in a possible mission to Jupiter with electrodynamic bare tethers are discussed density value. An asymptotic theory allowed to compute the maximum radius of the probe to collect OML current, the sheath radius for probe radius well below maximum and how the ratio I/IOML drops below unity when the maximum radius is exceeded. A numerical algorithm that solves the Vlasov-Poisson system was implemented and density and potential profiles presented. The results and their implications in a possible mission to Jupiter with electrodynamic bare tethers are discussed.

Curvature and velocity of methane-air Bunsen flame tips

PIV and photographic recording are used to measure the velocity of the fresh gas and the shape of the reaction layer in a region around the tip of a methane- air Bunsen flame attached to a cylindrical burner. The results compare well with numerical simulations carried out with an infinite activation energy reaction model. The experimental and numerical results confirm that the well-known linear relation between flame velocity and flame stretch derived from asymptotic theory for weakly curved and strained flames is valid for small and moderate values of the flame stretch if the modified definition of stretch introduced by Echekki and Mungal (Proc Combust Inst 23:455–461,1990) and Poinsot et al. (Combust Sci Technol 81:45–73,1992) is used. However, the relation between flame velocity and modified stretch ceases to be linear and approaches a square root law for large values of the stretch, when the curvature of the flame tip becomes large compared to the inverse of the thickness of a planar flame

Accurate analytical approximation of asteroid deflection with constant tangential thrust

We present analytical formulas to estimate the variation of achieved deflection for an Earth-impacting asteroid following a continuous tangential low-thrust deflection strategy. Relatively simple analytical expressions are obtained with the aid of asymptotic theory and the use of Peláez orbital elements set, an approach that is particularly suitable to the asteroid deflection problem and is not limited to small eccentricities. The accuracy of the proposed formulas is evaluated numerically showing negligible error for both early and late deflection campaigns. The results will be of aid in planning future low-thrust asteroid deflection missions

Colored diffraction catastrophes.

On fine scales, caustics produced with white light show vividly colored diffraction fringes. For caustics described by the elementary catastrophes of singularity theory, the colors are characteristic of the type of singularity. We study the diffraction colors of the fold and cusp catastrophes. The colors can be simulated computationally as the superposition of monochromatic patterns for different wavelengths. Far from the caustic, where the luminosity contrast is negligible, the fringe colors persist; an asymptotic theory explains why. Experiments with caustics produced by refraction through irregular bathroom-window glass show good agreement with theory. Colored fringes near the cusp reveal fine lines that are not present in any of the monochromatic components; these lines are explained in terms of partial decoherence between rays with widely differing path differences.

"Magic" dispersion maps with distributed Raman amplification

We analyze pulse propagation in an optical fiber with a periodic dispersion map and distributed amplification. Using an asymptotic theory and a momentum method, we identify a family of dispersion management schemes that are advantageous for massive multichannel soliton transmission. For the case of two-step dispersion maps with distributed Raman amplification to compensate for the fiber loss, we find special schemes that have optimal (chirp-free) launch point locations that are independent of the fiber dispersion. Despite the variation of dispersion with wavelength due to the fiber dispersion slope, the transmission in several different channels can be optimized simultaneously using the same optimal launch point. The theoretical predictions are verified by direct numerical simulations. The obtained results are applied to a practical multichannel transmission system.

Optimal dispersion maps for multichannel soliton transmission with distributed Raman amplification

Using an asymptotic theory and a momentum method, we identify a family of dispersion management schemes with distributed Raman amplification, which are advantageous for massive multichannel soliton transmission. For the case of two-step dispersion maps, special schemes are found that have optimal (chirp-free) launch point locations that are independent of the fibre dispersion. Despite the variation of dispersion with wavelength due to the fibre dispersion slope, the transmission in several different channels can be optimized simultaneously using the same optimal launch point. The theoretical results are verified by direct numerical simulations.

Méthodes de Bootstrap pour les modèles à facteurs

Cette thèse développe des méthodes bootstrap pour les modèles à facteurs qui sont couram- ment utilisés pour générer des prévisions depuis l'article pionnier de Stock et Watson (2002) sur les indices de diffusion. Ces modèles tolèrent l'inclusion d'un grand nombre de variables macroéconomiques et financières comme prédicteurs, une caractéristique utile pour inclure di- verses informations disponibles aux agents économiques. Ma thèse propose donc des outils éco- nométriques qui améliorent l'inférence dans les modèles à facteurs utilisant des facteurs latents extraits d'un large panel de prédicteurs observés. Il est subdivisé en trois chapitres complémen- taires dont les deux premiers en collaboration avec Sílvia Gonçalves et Benoit Perron. Dans le premier article, nous étudions comment les méthodes bootstrap peuvent être utilisées pour faire de l'inférence dans les modèles de prévision pour un horizon de h périodes dans le futur. Pour ce faire, il examine l'inférence bootstrap dans un contexte de régression augmentée de facteurs où les erreurs pourraient être autocorrélées. Il généralise les résultats de Gonçalves et Perron (2014) et propose puis justifie deux approches basées sur les résidus : le block wild bootstrap et le dependent wild bootstrap. Nos simulations montrent une amélioration des taux de couverture des intervalles de confiance des coefficients estimés en utilisant ces approches comparativement à la théorie asymptotique et au wild bootstrap en présence de corrélation sérielle dans les erreurs de régression. Le deuxième chapitre propose des méthodes bootstrap pour la construction des intervalles de prévision permettant de relâcher l'hypothèse de normalité des innovations. Nous y propo- sons des intervalles de prédiction bootstrap pour une observation h périodes dans le futur et sa moyenne conditionnelle. Nous supposons que ces prévisions sont faites en utilisant un ensemble de facteurs extraits d'un large panel de variables. Parce que nous traitons ces facteurs comme latents, nos prévisions dépendent à la fois des facteurs estimés et les coefficients de régres- sion estimés. Sous des conditions de régularité, Bai et Ng (2006) ont proposé la construction d'intervalles asymptotiques sous l'hypothèse de Gaussianité des innovations. Le bootstrap nous permet de relâcher cette hypothèse et de construire des intervalles de prédiction valides sous des hypothèses plus générales. En outre, même en supposant la Gaussianité, le bootstrap conduit à des intervalles plus précis dans les cas où la dimension transversale est relativement faible car il prend en considération le biais de l'estimateur des moindres carrés ordinaires comme le montre une étude récente de Gonçalves et Perron (2014). Dans le troisième chapitre, nous suggérons des procédures de sélection convergentes pour les regressions augmentées de facteurs en échantillons finis. Nous démontrons premièrement que la méthode de validation croisée usuelle est non-convergente mais que sa généralisation, la validation croisée «leave-d-out» sélectionne le plus petit ensemble de facteurs estimés pour l'espace généré par les vraies facteurs. Le deuxième critère dont nous montrons également la validité généralise l'approximation bootstrap de Shao (1996) pour les regressions augmentées de facteurs. Les simulations montrent une amélioration de la probabilité de sélectionner par- cimonieusement les facteurs estimés comparativement aux méthodes de sélection disponibles. L'application empirique revisite la relation entre les facteurs macroéconomiques et financiers, et l'excès de rendement sur le marché boursier américain. Parmi les facteurs estimés à partir d'un large panel de données macroéconomiques et financières des États Unis, les facteurs fortement correlés aux écarts de taux d'intérêt et les facteurs de Fama-French ont un bon pouvoir prédictif pour les excès de rendement.

Méthodes de Bootstrap pour les modèles à facteurs

Cette thèse développe des méthodes bootstrap pour les modèles à facteurs qui sont couram- ment utilisés pour générer des prévisions depuis l'article pionnier de Stock et Watson (2002) sur les indices de diffusion. Ces modèles tolèrent l'inclusion d'un grand nombre de variables macroéconomiques et financières comme prédicteurs, une caractéristique utile pour inclure di- verses informations disponibles aux agents économiques. Ma thèse propose donc des outils éco- nométriques qui améliorent l'inférence dans les modèles à facteurs utilisant des facteurs latents extraits d'un large panel de prédicteurs observés. Il est subdivisé en trois chapitres complémen- taires dont les deux premiers en collaboration avec Sílvia Gonçalves et Benoit Perron. Dans le premier article, nous étudions comment les méthodes bootstrap peuvent être utilisées pour faire de l'inférence dans les modèles de prévision pour un horizon de h périodes dans le futur. Pour ce faire, il examine l'inférence bootstrap dans un contexte de régression augmentée de facteurs où les erreurs pourraient être autocorrélées. Il généralise les résultats de Gonçalves et Perron (2014) et propose puis justifie deux approches basées sur les résidus : le block wild bootstrap et le dependent wild bootstrap. Nos simulations montrent une amélioration des taux de couverture des intervalles de confiance des coefficients estimés en utilisant ces approches comparativement à la théorie asymptotique et au wild bootstrap en présence de corrélation sérielle dans les erreurs de régression. Le deuxième chapitre propose des méthodes bootstrap pour la construction des intervalles de prévision permettant de relâcher l'hypothèse de normalité des innovations. Nous y propo- sons des intervalles de prédiction bootstrap pour une observation h périodes dans le futur et sa moyenne conditionnelle. Nous supposons que ces prévisions sont faites en utilisant un ensemble de facteurs extraits d'un large panel de variables. Parce que nous traitons ces facteurs comme latents, nos prévisions dépendent à la fois des facteurs estimés et les coefficients de régres- sion estimés. Sous des conditions de régularité, Bai et Ng (2006) ont proposé la construction d'intervalles asymptotiques sous l'hypothèse de Gaussianité des innovations. Le bootstrap nous permet de relâcher cette hypothèse et de construire des intervalles de prédiction valides sous des hypothèses plus générales. En outre, même en supposant la Gaussianité, le bootstrap conduit à des intervalles plus précis dans les cas où la dimension transversale est relativement faible car il prend en considération le biais de l'estimateur des moindres carrés ordinaires comme le montre une étude récente de Gonçalves et Perron (2014). Dans le troisième chapitre, nous suggérons des procédures de sélection convergentes pour les regressions augmentées de facteurs en échantillons finis. Nous démontrons premièrement que la méthode de validation croisée usuelle est non-convergente mais que sa généralisation, la validation croisée «leave-d-out» sélectionne le plus petit ensemble de facteurs estimés pour l'espace généré par les vraies facteurs. Le deuxième critère dont nous montrons également la validité généralise l'approximation bootstrap de Shao (1996) pour les regressions augmentées de facteurs. Les simulations montrent une amélioration de la probabilité de sélectionner par- cimonieusement les facteurs estimés comparativement aux méthodes de sélection disponibles. L'application empirique revisite la relation entre les facteurs macroéconomiques et financiers, et l'excès de rendement sur le marché boursier américain. Parmi les facteurs estimés à partir d'un large panel de données macroéconomiques et financières des États Unis, les facteurs fortement correlés aux écarts de taux d'intérêt et les facteurs de Fama-French ont un bon pouvoir prédictif pour les excès de rendement.

Asymptotic and structural properties of special cases of the Wright function arising in probability theory

This analysis paper presents previously unknown properties of some special cases of the Wright function whose consideration is necessitated by our work on probability theory and the theory of stochastic processes. Specifically, we establish new asymptotic properties of the particular Wright function 1Ψ1(ρ, k; ρ, 0; x) = X∞ n=0 Γ(k + ρn) Γ(ρn) x n n! (|x| < ∞) when the parameter ρ ∈ (−1, 0)∪(0, ∞) and the argument x is real. In the probability theory applications, which are focused on studies of the Poisson-Tweedie mixtures, the parameter k is a non-negative integer. Several representations involving well-known special functions are given for certain particular values of ρ. The asymptotics of 1Ψ1(ρ, k; ρ, 0; x) are obtained under numerous assumptions on the behavior of the arguments k and x when the parameter ρ is both positive and negative. We also provide some integral representations and structural properties involving the ‘reduced’ Wright function 0Ψ1(−−; ρ, 0; x) with ρ ∈ (−1, 0) ∪ (0, ∞), which might be useful for the derivation of new properties of members of the power-variance family of distributions. Some of these imply a reflection principle that connects the functions 0Ψ1(−−;±ρ, 0; ·) and certain Bessel functions. Several asymptotic relationships for both particular cases of this function are also given. A few of these follow under additional constraints from probability theory results which, although previously available, were unknown to analysts.

Asymptotic and numerical results for a model of solvent-dependent drug diffusion through polymeric spheres

A model for drug diffusion from a spherical polymeric drug delivery device is considered. The model contains two key features. The first is that solvent diffuses into the polymer, which then transitions from a glassy to a rubbery state. The interface between the two states of polymer is modelled as a moving boundary, whose speed is governed by a kinetic law; the same moving boundary problem arises in the one-phase limit of a Stefan problem with kinetic undercooling. The second feature is that drug diffuses only through the rubbery region, with a nonlinear diffusion coefficient that depends on the concentration of solvent. We analyse the model using both formal asymptotics and numerical computation, the latter by applying a front-fixing scheme with a finite volume method. Previous results are extended and comparisons are made with linear models that work well under certain parameter regimes. Finally, a model for a multi-layered drug delivery device is suggested, which allows for more flexible control of drug release.

Multiscale coupling and multiphysics approaches in earth sciences : theory

Measuring Earth material behaviour on time scales of millions of years transcends our current capability in the laboratory. We review an alternative path considering multiscale and multiphysics approaches with quantitative structure-property relationships. This approach allows a sound basis to incorporate physical principles such as chemistry, thermodynamics, diffusion and geometry-energy relations into simulations and data assimilation on the vast range of length and time scales encountered in the Earth. We identify key length scales for Earth systems processes and find a substantial scale separation between chemical, hydrous and thermal diffusion. We propose that this allows a simplified two-scale analysis where the outputs from the micro-scale model can be used as inputs for meso-scale simulations, which then in turn becomes the micro-model for the next scale up. We present two fundamental theoretical approaches to link the scales through asymptotic homogenisation from a macroscopic thermodynamic view and percolation renormalisation from a microscopic, statistical mechanics view.