Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Extreme times in financial markets.

We apply the theory of continuous time random walks (CTRWs) to study some aspects involving extreme events in financial time series. We focus our attention on the mean exit time (MET). We derive a general equation for this average and compare it with empirical results coming from high-frequency data of the U.S. dollar and Deutsche mark futures market. The empirical MET follows a quadratic law in the return length interval which is consistent with the CTRW formalism.

Random diffusion and leverage effect in financial markets

We prove that Brownian market models with random diffusion coefficients provide an exact measure of the leverage effect [J-P. Bouchaud et al., Phys. Rev. Lett. 87, 228701 (2001)]. This empirical fact asserts that past returns are anticorrelated with future diffusion coefficient. Several models with random diffusion have been suggested but without a quantitative study of the leverage effect. Our analysis lets us to fully estimate all parameters involved and allows a deeper study of correlated random diffusion models that may have practical implications for many aspects of financial markets.

Media, investors and bubbles

We analysed the specific case of how information in the financial press influences economic bubbles. We found considerable flaws in the information market due to several factors: demand, the predominance of what are termed “irrational investors” (herding), and supply, which has the problem that the sources of information are biasedand feeds. A financial bubble is a deviation between real value of a financial asset and its persistent market price in time, which also has a speculative origin fed back by the illusion of the owners of these financial values, who will take benefits because of the future prices, which must be higher than the previous ones. The economical information in the media is submitting three problems. First of all, it is information generated by companies. In second place, the information circuit is fed back. A problem of informative independence becomes created, particularly serious in the case of the banks, which are very were as creditors. And in a third place, some informative biases are manifested for the companies of regulated sectors which are starring the economical information in the media.

Biaixos informatius als mercats de valors

[cat] L'article presenta els resultats d'unes proves empíriques que mostren com en la informació econòmica a la premsa escrita poden haver-hi biaixos sistemàtics. Les empreses de sectors regulats son més actives informativament la qual cosa es tradueix en un major protagonisme en la premsa econòmica especialitzada. La primera prova empírica consisteix en una comprovació del protagonisme de les empreses de l'Ibex 35 i del Dow Jones a la premsa general i la econòmica d'Espanya i els Estats Units respectivament En la segona es fa una anàlisi de la informació del periòdic econòmic Expansión. L'existència de biaixos informatius sistemàtics indueix a qüestionar-se la hipòtesi de racionalitat en els mercats financers.

Uniform-price assignment markets

Uniform-price assignment games are introduced as those assignment markets with the core reduced to a segment. In these games, for all active agents, competitive prices are uniform although products may be non-homogeneous. A characterization in terms of the assignment matrix is given. The only assignment markets where all submarkets are uniform are the Bohm-Bawerk horse markets. We prove that for uniform-price assignment games the kernel, or set of symmetrically-pairwise bargained allocations, either coincides with the core or reduces to the nucleolus

Multi-sided Böhm-Bawerk assignment markets: the nucleolus and the core-center

En aquest treball mostrem que, a diferència del cas bilateral, per als mercats multilaterals d'assignació coneguts amb el nom de Böhm-Bawerk assignment games, el nucleolus i el core-center, i. e. el centre de masses del core, no coincideixen en general. Per demostrar-ho provem que donant un m-sided Böhm-Bawerk assignment game les dues solucions anteriors poden obtenir-se respectivament del nucleolus i el core-center d'un joc convex definit en el conjunt format pels m sectors. Encara més, provem que per calcular el nucleolus d'aquest últim joc només les coalicions formades per un jugador o m-1 jugadors són importants. Aquests resultats simplifiquen el càlcul del nucleolus d'un multi-sided ¿¿ohm-Bawerk assignment market amb un número molt elevat d'agents.

Vertical Syndication-Proof Competitive Prices in Multilateral Markets

[eng] A multi-sided Böhm-Bawerk assignment game (Tejada, to appear) is a model for a multilateral market with a finite number of perfectly complementary indivisible commodities owned by different sellers, and inflexible demand and support functions. We show that for each such market game there is a unique vector of competitive prices for the commodities that is vertical syndication-proof, in the sense that, at those prices, syndication of sellers each owning a different commodity is neither beneficial nor detrimental for the buyers. Since, moreover, the benefits obtained by the agents at those prices correspond to the nucleolus of the market game, we provide a syndication-based foundation for the nucleolus as an appropriate solution concept for market games. For different solution concepts a syndicate can be disadvantageous and there is no escape to Aumman’s paradox (Aumann, 1973). We further show that vertical syndicationproofness and horizontal syndication-proofness – in which sellers of the same commodity collude – are incompatible requirements under some mild assumptions. Our results build on a self-interesting link between multi-sided Böhm-Bawerk assignment games and bankruptcy games (O’Neill, 1982). We identify a particular subset of Böhm-Bawerk assignment games and we show that it is isomorphic to the whole class of bankruptcy games. This isomorphism enables us to show the uniqueness of the vector of vertical syndication-proof prices for the whole class of Böhm-Bawerk assignment market using well-known results of bankruptcy problems.

Symmetrically multilateral-bargained allocations in multi-sided assignment markets

[cat] Aquest treball tracta d’extendre la noció d’equilibri simètric de negociació bilateral introduït per Rochford (1983) a jocs d’assignació multilateral. Un pagament corresponent a un equilibri simètric de negociación multilateral (SMB) és una imputación del core que garanteix que qualsevol agent es troba en equilibri respecte a un procés de negociación entre tots els agents basat en allò que cadascun d’ells podria rebre -i fer servir com a amenaça- en un ’matching’ òptim diferent al que s’ha format. Es prova que, en el cas de jocs d’assignació multilaterals, el conjunt de SMB és sempre no buit i que, a diferència del cas bilateral, no sempre coincideix amb el kernel (Davis and Maschler, 1965). Finalment, responem una pregunta oberta per Rochford (1982) tot introduïnt un conjunt basat en la idea de kernel, que, conjuntament amb el core, ens permet caracteritzar el conjunt de SMB.

Complements and substitutes in multilateral assignment markets

[cat] En aquest treball provo que, en mercats d’assignació amb més de dos costats, agents de diferents sectors poden no ser complementaris mentre que agents del mateix sector poden no ser substituts. Shapley (1962) va provar que això mai pot succeïr quan el mercat d’assignació només té dos costats. No obstant, demostro que existeixen condicions suficients que garanteixen la substitutabilitat i la complementarietat entre agents en aquests tipus de mercats. A més, provo que, quan els béns al mercat son homogenis, el resultat de Shapley (1962) es manté.

Fertility discourse in parental leave policies' media coverage : a frame analysis of French-speaking Swiss press articles from 1999 to 2009

This paper analyses the media coverage of parental leave policies (parental and paternity leaves) in Swiss French-speaking press articles from 1999 to 2009. Switzerland is one of the rare European countries which has no statutory parental or paternity leave. The aim is to describe the mediatisation of these policies and to analyse the arguments in favour and against their implementation. We investigate the status of a fertility frame - the mobilisation of discourse relating to fertility issues - among the various arguments used to justify or reject parental leave policies. We proceed with a content analysis of 579 press articles, as well as a frame analysis on a subset in which parental leave policies are the central theme (N=206). Results show that paternity leave is the predominant public issue addressed in the dataset. A mediatisation peak was reached in 2007, following an initiative of a member of the Federal executive to implement a short paternity leave. Parental leave policies are predominantly represented in a positive light. The main positive frame is economic, in which leaves are represented as serving the interests of companies. Involved fatherhood and gender equality are also frequently mentioned as positive frames. The fertility frame is only moderately used in articles covering Swiss news on paternity leaves. Conversely, the fertility frame is largely mobilised in articles covering parental leave in other countries. We discuss some interpretations of this discrepancy and suggest future avenues of research on parental leave policies in Switzerland.