Dissertations / Theses on the topic 'Limite incompressible'

Ce travail porte essentiellement sur les instabilites primaire et secondaire de la couche limite laminaire incompressible qui se developpe sur une aile en fleche d'envergure infinie. On a traite aussi la methode semi-empirique du e#n, utile a l'estimation du point de debut de transition. L'instabilite primaire conduit a la celebre equation d'orr-sommerfeld qui admet pour solutions les ondes de tollmien-schlichting. Pour resoudre cette equation, nous avons utilise les polynomes de chebichev avec la methode du cut-off pour restreindre l'equation a un intervalle borne. A frequence fixee, l'etude de b(x), angle de propagation de l'onde la plus instable localement (x designe la distance au bord d'attaque), montre que, pres du bord d'attaque, on obtient une instabilite transversale conformement aux etudes theoriques et experimentales anterieures. Puis, pour x croissant, les ondes d'instabilite tendent a s'aligner avec la direction longitudinale, de facon reguliere en general. Cependant, dans une configuration plus complexe, nous avons obtenu deux systemes d'ondes apparemment independants: un, evoluant dans la direction transversale, l'autre dans la direction longitudinale. Aussi l'optimisation associee a b implique une discontinuite de b(x). En depit de cette difficulte, la methode proposee du e#n donne des resultats en bon accord avec les abscisses de transition determinees experimentalement. Enfin, nous avons developpe un code de resolution du probleme de l'instabilite secondaire dont les resultats sont en excellent accord avec ceux publies par herbert en ecoulement 2d. Puis ce code a ete applique a l'un des ecoulements 3d, precedemment analyses

Cette thèse est consacrée à l'étude de la stabilité d'une couche limite en fluide incompressible. On a considéré des écoulements bidimensionnels et le cas d'une couche limite se développant sur une aile en flèche. Nous avons utilisé le modèle PSE (Parabolized Stability Equations) proposé par Herbert. Ce modèle permet de s'affranchir de l'hypothèse d'écoulement parallèle nécessaire pour la théorie locale (Orr-Sommerfeld). Il permet en outre de prendre en compte des interactions non linéaires. Les codes développés, en bidimensionnel et en tridimensionnel, ont permis d'apporter des éclairages nouveaux sur les mécanismes d'instabilité : mécanismes de résonance en 2D (résonances subharmonique et fondamentale), effets non parallèles en 3D (effet déstabilisant de saturation des amplitudes), mécanismes non linéaires en 3D (phénomène de saturation des amplitudes). On a notamment analysé des résultats expérimentaux obtenus au Département. Ces résultats représentent une contribution au problème de la prévision de la transition naturelle ; toutefois, l'étude des mécanismes non linéaires en tridimensionnel doit être poursuivie. Cette étude doit également être complétée par des études de réceptivité.

Les équations de stabilité sont parabolisées dans la direction x longitudinale de l'écoulement (équations PSE). A la théorie classique, locale, linéaire parallèle d'Orr-Sommerfeld, est substitué un problème d'évolution résolu par une simple marche en x. Cette nouvelle approche permet de traiter simplement et simultanément les effets non parallèles et les effets faiblement non linéaires. En théorie linéaire, après des comparaisons avec la théorie parallèle, la méthode des échelles multiples, des résultats expérimentaux et avec des Simulations Numériques Directes (DNS), on trouve des effets non parallèles importants pour des perturbations et des écoulements moyens tridimensionnels. En théorie faiblement non linéaire, les résonances fondamentale et subharmonique sont obtenues pour des couches limites bidimensionnelles. On montre que les PSE sont en accord avec les expériences, la théorie de l'instabilité secondaire, et les DNS, pour les écoulements de similitude de Falkner-Skan. L'état de saturation en amplitude des perturbations instationnaires ainsi que l'augmentation du coefficient de frottement près du début de la transition sont ainsi mis en évidence. Enfin, l'approche PSE est appliquée sur des expériences faites au CERT-ONERA, pour des écoulements de couche limite quelconques avec de forts gradients de pression.

Des perturbations sous forme de tourbillons longitudinaux apparaissent dans les couches limites, ou, en s'amplifiant, elles peuvent provoquer la transition vers la turbulence. Dans le cas de la couche limite de paroi concave on appelle ces instabilites les tourbillons de gortler, et dans le cas de la couche limite de paroi plane on parle d'instabilites algebriques. Nous avons effectue une etude de l'amplification de differents types de tourbillons longitudinaux dans une couche limite de paroi plane. Nous avons ainsi montre le role decisif joue par la composante longitudinale de la vitesse de perturbation dans le processus d'amplification de l'instabilite, ainsi que la generalite du profil de cette meme vitesse produit alors en aval, et parfois appele mode de klebanoff. Nous avons ensuite cherche un moyen de controler ce type de perturbation (dans le cas de la couche limite de paroi plane ou concave), en se placant dans le cadre du controle dit optimal, et en considerant la perturbation qui a la plus forte amplification : la perturbation optimale. Nous avons utilise un controle par soufflage/aspiration a la paroi, et nous avons trouve differents profils optimaux de la vitesse de controle suivant la definition de la fonctionnelle cout a minimiser. Nous avons donc montre qu'il est theoriquement possible de controler des perturbations optimales de la couche limite par action au niveau de la paroi de la plaque.

Le travail présenté dans ce mémoire consiste en l'étude de la couche limite turbulente dans des diffuseurs plan et à symétrie de révolution dans l'hypothèse d'un fluide incompressible. On propose une méthode approchée de traiter la couche limite turbulente d'un écoulement plan et à symétrie de révolution. Elle est basée sur une variante de la théorie phénoménologique semi-empirique développée récemment dans le cas plan analogue. Les résultats obtenus, en appliquant cette méthode simple à une seule couche, sont satisfaisants. Une procédure de calcul efficace et rapide a ensuite été développée afin d'étudier la couche limite turbulente asymétrique dans les diffuseurs plans en régime transitoire. Les singularités qui peuvent se produire dans le calcul ont été analysées et supprimées grâce à un algorithme combinant la méthode de Stanford et la méthode approchée. Cette procédure de calcul permet de considérer deux couches limites distinctes asymétrique et de déterminer le point de décollement. Une analyse comparative avec certains résultats expérimentaux, a permis d'établir les domaines d'applicabilité et validité de ces deux méthodes dans le cas des diffuseurs plans et à symétrie de révolution.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés des écoulements de fluides qui interagissent avec un corps rigide ou avec une source et un puits. Dans le cas d'un fluide visqueux incompressible qui satisfait les équations de Navier Stokes dans un domaine borné 2D, les solutions faibles de Leray-Hopf sont bien comprises. L'existence et l'unicité sont prouvées. De plus, les solutions sont continues en temps `a valeurs dans L 2 (Omega) et satisfont l’égalité d'énergie classique. Plus récemment, le problème d'un corps rigide en mouvement dans un fluide visqueux incompressible modélisé par les équations de Navier-Stokes couplées aux lois de Newton qui décrivent le mouvement du solide a également été abordé dans le cas où des conditions aux limites sans glissement ont été prescrites. Des résultats analogues concernant les solutions de Leray-Hopf ont également été démontrés dans ce contexte. Dans ce manuscrit, nous étudions le cas de conditions aux limites de Navier-Slip. Dans ce cadre, le résultat d'existence pour le système couplé a été prouvée par G'erard-Varet et Hillairet en 2014. Ici, nous montrons que les solutions sont continues en temps, qu'elles satisfont l’égalité d'énergie et qu’elles sont uniques. De plus, nous montrons un résultat d'existence des solutions faibles dans le cas d'un fluide incompressible visqueux auquel s'ajoute un corps rigide dans le cas où la vitesse du fluide a une partie orthonormale d'énergie infinie.Pour un fluide incompressible non visqueux modélisé par les équations d'Euler dans un domaine borné 2D, le cas où le fluide est autorisé à entrer et à sortir de la frontière a été traité par Judovic qui a introduit certaines conditions limites consistant à prescrire la composante normale de la vitesse et de la vorticité entrante. Dans ce manuscrit, nous considérons un domaine borné qui possède deux trous. L'un d'eux est une source, ce qui signifie que le fluide est autorisé à entrer dans le domaine et l'autre est un puits où le fluide peut sortir. En particulier, nous établissons les équations limites vérifiées par le fluide lorsque la source et le puits se contractent en deux points différents. Le système limite est caractérisé par un point source/puits et un point vortex en chacun des deux points où les trous se sont contractés
In this thesis, we investigate properties of incompressible flows that interact with a rigid body or a source and a sink. In the case of an incompressible viscous fluid that satisfies the Navier Stokes equations in a 2D bounded domain well-posedness of Leray-Hopf weak solutions is well-understood. Existence and uniqueness are proved. Moreover solutions are continuous in time with values in L 2 (Omega) and they satisfy the energy equality. Recently the problem of a rigid body moving in a viscous incompressible fluid modeled by the Navier-Stokes equations coupled with the Newton laws that prescribe the motion of the solid, was also tackled in the case where the no-slip boundary conditions were imposed. And the correspondent well-posedness result for Leray-Hopf type weak solutions was proved. In this manuscript we consider the case of the Navier-slip boundary conditions. In this setting, the existence result for the coupled system was proved by G'erard-Varet and Hillairet in 2014. Here, we prove that solutions are continuous in time, that they satisfy the energy equality and that they are unique. Moreover we show an existence result for weak solutions of a viscous incompressible fluid plus rigid body system in the case where the fluid velocity has an orthoradial part of infinite energy.For an inviscid incompressible fluid modelled by the Euler equations in a 2D bounded domain, the case where the fluid is allowed to enter and to exit from the boundary was tackled by Judovic who introduced some conditions which consist in prescribing the normal component of the velocity and the entering vorticity. In this manuscript we consider a bounded domain with two holes, one of them is a source which means that the fluid is allowed to enter in the domain and the other is a sink from where the fluid can exit. In particular we find the limiting equations satisfied by the fluid when the source and the sink shrink to two different points. The limiting system is characterized by a point source/sink and a point vortex in each of the two points where the holes shrunk

Les modèles de milieux poreux, en régime compressible ou incompressible, sont utilisés dans la littérature pour décrire les propriétés mécaniques des tissus vivants et en particulier de la croissance tumorale. Il est possible de construire un lien entre ces deux différentes représentations en utilisant une loi de pression raide. Dans la limite incompressible, les modèles compressibles conduisent à des problèmes de frontières libres de type Hele-Shaw. Nos travaux visent à étudier la limite de pression raide des équations de type milieu poreux motivées par le développement tumoral. Notre première étude concerne l’analyse et la simulation numérique d’un modèle incluant l’effet des nutriments. Ensuite, un système d’équations, dont le couplage est délicat, décrit la densité cellulaire et la concentration en nutriments. Pour cette raison, la dérivation de l’équation de pression dans la limite incompressible était un problème ouvert qui nécessite la compacité forte du gradient de pression. Pour l’établir, nous utilisons deux nouvelles idées : une version L3 de la célèbre estimation d’Aronson-Bénilan, également utilisée récemment pour des problèmes connexes, et une estimation L4 sur le gradient de pression (où l’exposant 4 est optimal). Nous étudions en outre l’optimalité de cette estimation par un schéma numérique upwind aux différences finies, que nous montrons être stable et asymptotic preserving. Notre deuxième étude est centrée sur l’équation de milieux poreux avec effets convectifs. Nous étendons les techniques développées pour le cas avec nutriments, trouvant ainsi la relation de complémentarité sur la pression limite. De plus, nous fournissons une estimation du taux de convergence à la limite incompressible. Enfin, nous étudions un système multi-espèces. En particulier, en tenant compte de l’hétérogénéité phénotypique, nous incluons une variable structurée dans le problème. Par conséquent, un système de diffusion croisée et dégénérée décrit l’évolution des distributions phénotypiques. En adaptant des méthodes récemment développées pour des systèmes à deux équations, nous prouvons l’existence de solutions faibles et nous passons à la limite incompressible. En outre, nous prouvons de nouveaux résultats de régularité sur la pression totale, qui est liée à la densité totale par une loi de puissance
Both compressible and incompressible porous medium models have been used in the literature to describe the mechanical aspects of living tissues, and in particular of tumor growth. Using a stiff pressure law, it is possible to build a link between these two different representations. In the incompressible limit, compressible models generate free boundary problems of Hele-Shaw type where saturation holds in the moving domain. Our work aims at investigating the stiff pressure limit of reaction-advection-porous medium equations motivated by tumor development. Our first study concerns the analysis and numerical simulation of a model including the effect of nutrients. Then, a coupled system of equations describes the cell density and the nutrient concentration. For this reason, the derivation of the pressure equation in the stiff limit was an open problem for which the strong compactness of the pressure gradient is needed. To establish it, we use two new ideas: an L3-version of the celebrated Aronson-Bénilan estimate, also recently applied to related problems, and a sharp uniform L4-bound on the pressure gradient. We further investigate the sharpness of this bound through a finite difference upwind scheme, which we prove to be stable and asymptotic preserving. Our second study is centered around porous medium equations including convective effects. We are able to extend the techniques developed for the nutrient case, hence finding the complementarity relation on the limit pressure. Moreover, we provide an estimate of the convergence rate at the incompressible limit. Finally, we study a multi-species system. In particular, we account for phenotypic heterogeneity, including a structured variable into the problem. In this case, a cross-(degenerate)-diffusion system describes the evolution of the phenotypic distributions. Adapting methods recently developed in the context of two-species systems, we prove existence of weak solutions and we pass to the incompressible limit. Furthermore, we prove new regularity results on the total pressure, which is related to the total density by a power law of state

Une grande partie de cette étude est basée sur la mesure simultanée de la vitesse et de la pression dans une couche limite de plaque plane en transition naturelle. Une méthode de discrémination laminaire-turbulent combinée à une analyse conditionnelle a permis l'obtention des signatures types des bouffées de turbulence en termes de variation de la pression pariétale. Les différences entre signaux de pression mesures dans l'écoulement exterieur et sous la couche limite ont montré l'importance des perturbations aérodynamiques très localisées : sous la couche limite laminaire, le signal est quasiment identique au signal de pression exterieur avec deux différences cependant : un filtrage des hautes pressions et la présence des ondes d'instabilité. Sous la couche limite en transition, le phénomène d'intermittence perturbe complètement le signal de pression pariétale. Sous la couche limite turbulente, les deux signaux retrouvent une certaine similitude aux basses fréquences. La présence de plusieurs microphones a mis en évidence le pilotage de l'apparition des bouffées de turbulence par les fluctuations de pression d'origine acoustique présentes dans l'installation d'essai. Ce type d'analyse a été effectué en écoulement uniforme et en écoulement ralenti : le problème de la transition en écoulement accéléré qui ne concerne dans la pratique que les hydrodynamiciens a été abordé par le calcul et a donné quelques résultats qui ont été comparés à des valeurs expérimentales trouvées dans l'étude bibliographique.

Ce travail concerne l’écoulement incompressible et stationnaire autour d’un cylindre semi-infini en rotation, et ses propriétés de stabilité linéaire. L’effet de la courbure et de la rotation sur la stabilité de cet écoulement est étudié de manière systématique. Avant d’étudier la stabilité, nous calculons d’abord l’écoulement de base. A grand nombre de Reynolds, une couche limite se développe le long du cylindre, ce qui permet d’utiliser l’approximation de couche limite des équations de Navier–Stokes. Ces équations dépendent de deux paramètres de contrôle sans dimension, le nombre de Reynolds (Re) et le taux de rotation (S), et sont résolues numériquement pour obtenir les profils de vitesse et de pression pour une large gamme des paramètres de contrôle. Une couche limite initialement mince s’épaissit avec la distance axiale; ainsi, son épaisseur devient comparable et finalement plus importante que le rayon du cylindre. Au-delà d’un certain taux de rotation, les effets centrifuges conduisent `a un jet de paroi le long d’une portion du cylindre. L’extension axiale de ce jet augmente avec le taux de rotation. L’intensité du jet augmente aussi avec S. Des analyses asymptotiques de l’écoulement à grande distance axiale et à fort taux de rotation sont aussi présentées. L’analyse de stabilité linéaire du précédent écoulement est effectuée dans l’approximation locale. Après une décomposition en modes normaux, les équations des perturbations sont transformées en un problème de valeur propre `a fréquence complexe (ω). Ce problème dépend de cinq paramètres sans dimension: Re, S, la distance axiale normalisée (Z), le nombre d’onde axial (α) et le nombre d’onde azimutal (m). Les équations de stabilité sont résolues numériquement pour étudier les régions instables dans l’espace des paramètres. On observe que de faibles taux de rotation ont un effet important sur la stabilité de l’écoulement. Cette forte déstabilisation est associée à la présence d’un mode quasi-marginal pour le cylindre fixe et qui devient instable pour de petites valeurs de S. Ce phénomène est confirmé par une analyse en perturbation `a petit S. Sans rotation, l’écoulement est stable pour tout Re < 1060, et pour Z > 0.81. Mais, en présence d’une faible rotation, l’instabilité n’est plus limitée par une valeur minimale de Re ou un seuil en Z. Les courbes critiques dans le plan (Z, Re) sont calculées pour une large gamme de S et les conséquences pour la stabilité de l’écoulement discutées. Enfin, un développement asymptotique pour le nombre de Reynolds critique est obtenu, valable aux grandes valeurs de Z
This work concerns the steady, incompressible flow around a semi-infinite, rotating cylinder and its linear-stability properties. The effect of cylinder curvature and rotation on the stability of this flow is investigated in a systematic manner. Prior to studying its stability, we first compute the basic flow. At large Reynolds numbers, a boundary layer develops along the cylinder. The governing equations are obtained using a boundary-layer approximation to the Navier–Stokes equations. These equations contain two non-dimensional control parameters: the Reynolds number (Re) and the rotation rate (S), and are numerically solved to obtain the velocity and pressure profiles for a wide range of control parameters. The initially thin boundary layer grows in thickness with axial distance, becoming comparable and eventually larger than the cylinder radius. Above a threshold rotation rate, a centrifugal effect leads to the presence of a wall jet for a certain range of streamwise distances. This range widens as the rotation rate increases. Furthermore, the wall jet strengthens as S increases. Asymptotic analyses of the flow at large streamwise distances and at large rotation rates are presented. A linear stability analysis of the above flow is carried out using a local-flow approximation. Upon normal-mode decomposition, the perturbation equations are transformed to an eigenvalue problem in complex frequency (ω). The problem depends on five non-dimensional parameters: Re, S, scaled streamwise direction (Z), streamwise wavenumber (α) and azimuthal wavenumber m. The stability equations are numerically solved to investigate the unstable regions in parameter space. It is found that small amounts of rotation have strong effects on flow stability. Strong destabilization by small rotation is associated with the presence of a nearly neutral mode of the non-rotating cylinder, which becomes unstable at small S. This is further quantified using smallS perturbation theory. In the absence of rotation, the flow is stable for all Re below 1060, and for Z above 0.81. However, in the presence of small rotation, the instability becomes unconstrained by a minimum Re or a threshold in Z. The critical curves in the (Z, Re) plane are computed for a wide range of S and the consequences for stability of the flow described. Finally, a large-Z asymptotic expansion of the critical Reynolds number is obtained

In this work, a DNS code was developed to investigate problems on transition in subsonic compressible boundary layer on a flat plate. Code validation tests were performed for linear and nonlinear stages of transition, on incompressible and compressible regimes. The focus of the present work is to investigate natural transition in subsonic boundary layers modeled by wave packets; and perform a preliminary study of transition induced by white noise. Three main problems were considered, namely, a DNS simulation and analysis of the ex- periment (MEDEIROS; GASTER, 1999b) of wave packet evolution on incompressible boundary layer, the influence of compressibility on wave packet evolution at subsonic Mach numbers and finally, a preliminary study of the evolution of a white noise perturbation in the boundary layer at Mach 0.2 and Mach 0.9. Comparisons between numerical and experimental results show remarkably good agreement in the linear and nonlinear stages, in both, spatial and Fourier spaces. A numerical simulation of this experiment and the analysis carried out is not available in the literature for wave packets in the incompressible boundary layer. The nonlinear modal analysis performed established the existence of tuned fundamental and subharmonic resonance of H-type and K-type in the packet. Influence of compressibility in the wave packet evolution was here investigated in boundary layers at Mach 0.7 and Mach 0.9. There are no works reported in the literature on wave packets in compressible subsonic boundary layer. In the linear regime, the oblique modes were the most unstable for Mach > 0.7, as expected by the results of the literature. In the nonlinear regime, strong streaks were observed, associated with low frequency modes that eventually decay downstream. An isolated wave packet at Mach 0.9 showed nonlinear amplification only in the subharmonic band, which may be associated to H-type or detuned resonance. However this packet has a relatively stable character. On the other hand, at Mach 0.9 spanwise interaction of wave packet pairs were more unstable than the isolated case, because stable modes for the isolated packet evolution becomes unstable in the wave packet interaction. This scenario evidenced the presence of oblique transition. Finally, the nonlinear evolution of the same white noise disturbance at Mach 0.2 and Mach 0.9 were observed to be completely different. In the incompressible boundary layer localized lambda vortex structures were observed, that could be associated to the local presence of H-type and/or K-type resonance. In the compressible regime, longitudinal vortex structures distributed across the entire domain seemed to be linked to oblique transition. In the white noise evolution, compressibility seems to have a stronger effect than in the wave packet evolution. In the conditions considered, the wave packet interaction appear to be a better representation of white noise compressible transition scenario.
No presente trabalho, um código DNS (Direct Numerical Simulation) foi desenvolvido para abordar problemas de transição para turbulência em camada limite subsônica compressível em uma placa plana. Foram realizados testes de validação de código , nos regimes linear e não linear do processo de transição, nos regimes incompressível e compressível. O foco do presente trabalho é estudar transição natural modelada por meio de pacotes de onda em camada limite compressível subsônica, e realizar uma análise preliminar da transição induzida por ruído branco. Três assuntos principais foram considerados: uma simulação DNS e uma análise comparativa com o experimento (MEDEIROS; GASTER, 1999b) sobre a evolução de um pacote de ondas em camada limite incompressível, a influência da compressibilidade na evolução de pacotes de ondas no regime subsônico, e por último, um estudo preliminar da transição induzida por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9. As comparações realizadas entre a solução numérica e os dados experimentais mostram uma boa concordância, nos regimes linear e não linear, tanto no espaço físico quanto no espaço de Fourier. A simulação numérica deste experimento e a análise realizada neste trabalho, não são encontradas na literatura para o regime incompressível. A análise modal não linear aplicada aos resultados, permitiu identificar a presença das ressonâncias tipo H e tipo K no pacote de ondas. A influência da compressibilidade na evolução dos pacotes de onda foi estudada em Mach 0.7 e Mach 0.9. Na literatura não há trabalhos sobre pacotes de ondas no regime sub- sônico. No regime linear da transição, os modos oblíquos resultam ser os mais instáveis para Mach > 0.7, como era de esperar, de acordo com os resultados da literatura. No regime não linear, foram observadas estrias de moderada amplitude, associadas com modos de baixa frequência que acabam decaindo. O pacote de ondas em Mach 0.9 apresentou amplificação não linear somente na banda subharmônica, que pode ser associada com transição tipo H ou ressonância dessintonizada. No entanto, o comportamento geral neste regime é estabilizante. Por sua vez, a interação entre pacotes de ondas em Mach 0.9 mostrou um comportamento desestabilizante, pois a interação acaba gerando amplificação não linear em modos que decaem no pacote isolado. Os modos amplificados sugerem a presença do mecanismo de transição oblíqua. Finalmente, a evolução da mesma perturbação constituída por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9, resultaram ser completamente diferentes. Na camada limite incompressível foram observados vórtices tipo lambda, que poderiam ser gerados pela presença localizada das ressonâncias tipo H e/ou tipo K. No regime compressível foram observados vórtices distribuidos em todo o domínio, o que sugere a presença da transição oblíqua. Na transição gerada por ruído branco a compressibilidade teve uma influência maior que no pacote de ondas. Nas condições estudadas, a interação entre pacotes de ondas parece ser uma melhor representação do ruído branco no regime compressível.

Many interesting problems in classical physics involve the behavior of solutions of nonlinear hyperbolic systems as certain parameter and coefficients becomes infinite. Quite often, the limiting solution (when it exits) satisfies a completely different nonlinear partial differential equation. The incompressible limit of the compressible Navier-Stokes equations is one physical problem involving dissipation when such a singular limiting process is interesting. In this article we study the time-discretized compressible Navier-Stokes equation and consider the incompressible limit as the Mach number tends to zero. For γ-law gas, 1 < γ ≤ 2, D ≤ 4, we show that the solutions (ρ(ε), μ(ε)/ε) of the compressible Navier-Stokes system converge to the solution (1, v) of the incompressible Navier-Stokes system. Furthermore we also prove that the limit also satisfies the Leray energy inequality.

Ce travail de thèse concerne les méthodes numériques à base d'ondelettes pour la simulation de la turbulence incompressible. L'objectif principal est la prise en compte de conditions aux limites physiques dans la résolution des équations de Navier-Stokes. Contrairement aux travaux précédents où la vorticité était décomposée sur base d'ondelettes classiques, le point de vue qui est adopté ici vise à calculer le champ de vitesse de l'écoulement sous la forme d'une série d'ondelettes à divergence nulle. On est alors dans le cadre des équations de Navier-Stokes incompressibles en formulation vitesse-pression, pour lesquelles les conditions aux limites sur la vitesse s'écrivent explicitement, ce qui diffère de la formulation vitesse-tourbillon. Le principe de la méthode développée dans cette thèse consiste à injecter directement les conditions aux limites sur la base d'ondelettes. Ce travail prolonge la thèse de E. Deriaz réalisée dans le cas périodique. La première partie de ce travail a donc été la définition et la mise en œuvre de nouvelles bases d'ondelettes à divergence nulle ou à rotationnel nul sur [0,1]n, permettant la prise en compte de conditions aux limites, à partir des travaux originaux de P. G. Lemarié-Rieusset, K. Urban, E. Deriaz et V. Perrier. Dans une deuxième partie, des méthodes numériques efficaces utilisant ces nouvelles ondelettes sont proposées pour résoudre différents problèmes classiques : équation de la chaleur, problème de Stokes et calcul de la décomposition de Helmholtz-Hodge en non périodique. L'existence d'algorithmes rapides associés rend les méthodes compétitives. La dernière partie est consacrée à la définition de deux nouveaux schémas de résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles par ondelettes, qui utilisent les ingrédients précédents. Des expériences numériques menées pour la simulation d'écoulement en cavité entraînée en dimension deux ou le problème de la reconnection de tubes de vortex en dimension trois montrent le fort potentiel des algorithmes développés
This work concerns wavelet numerical methods for the simulation of incompressible turbulent flow. The main objective of this work is to take into account physical boundary conditions in the resolution of Navier-Stokes equations on wavelet basis. Unlike previous work where the vorticity field was decomposed in term of classical wavelet bases, the point of view adopted here is to compute the velocity field of the flow in its divergence-free wavelet series. We are then in the context of velocity-pressure formulation of the incompressible Navier-Stokes equations, for which the boundary conditions are written explicitly on the velocity field, which differs from the velocity-vorticity formulation. The principle of the method implemented is to incorporate directly the boundary conditions on the wavelet basis. This work extends the work of the thesis of E. Deriaz realized in the periodic case. The first part of this work highlights the definition and the construction of new divergence-free and curl-free wavelet bases on [0,1]n, which can take into account boundary conditions, from original works of P. G. Lemarie-Rieusset, K. Urban, E. Deriaz and V. Perrier. In the second part, efficient numerical methods using these new wavelets are proposed to solve various classical problem: heat equation, Stokes problem and Helmholtz-Hodge decomposition in the non-periodic case. The existence of fast algorithms makes the associated methods more competitive. The last part is devoted to the definition of two new numerical schemes for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations into wavelets, using the above ingredients. Numerical experiments conducted for the simulation of driven cavity flow in two dimensions or the issue of reconnection of vortex tubes in three dimensions show the strong potential of the developed algorithms

Cette thèse a pour objet le développement d'un modèle numérique de simulation des fluides fondé sur la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). SPH est une méthode de simulation numérique sans maillage présentant un certain nombre d'avantages par rapport aux méthodes Eulériennes. Elle permet notamment de modéliser des écoulements à surface libre ou interfaces fortement déformées. Ce travail s'adresse principalement à quatre problématiques liées aux fondements de la méthode SPH : l'imposition des conditions aux limites, la prédiction précise des champs de pression, l'implémentation d'un modèle thermique et la réduction des temps de calcul. L'objectif est de modéliser des écoulements industriels complexes par la méthode SPH, en complément de ce qui peut se faire avec des méthodes à maillage. Typiquement, les problèmes visés sont des écoulements 3-D à surface libre ou confinés, pouvant interagir avec des structures mobiles et/ou transporter des scalaires, notamment des scalaires actifs (e.g. température). Dans ce but, on propose ici un modèle SPH incompressible (ISPH) basé sur une représentation semi-analytique des conditions aux limites. La technique des conditions aux limites semi-analytiques permet d'imposer des conditions sur la pression de manière précise et physique, contrairement à ce qui se fait avec des conditions aux limites classiques en SPH. Un modèle k-epsilon a été incorporé à ce nouveau modèle ISPH, à partir des travaux de Ferrand et al. (2013). Un modèle de flottabilité a également été ajouté, reposant sur l'approximation de Boussinesq. Les interactions entre flottabilité et turbulence sont prises en compte. Enfin, une formulation pour les frontières ouvertes dans le nouveau modèle est établie. La validation du modèle en 2-D a été réalisée sur un ensemble de cas-tests permettant d'estimer les capacités de prédiction du nouveau modèle en ce qui concerne les écoulements isothermes et non-isothermes, laminaires ou turbulents. Des cas confinés sont présentés, ainsi que des écoulements à surface libre (l'un d'eux incluant un corps solide mobile dans l'écoulement). La formulation pour les frontières ouvertes a été testée sur un canal de Poiseuille plan laminaire et sur deux cas de propagation d'une onde solitaire. Des comparaisons sont présentées avec des méthodes à maillage, ainsi qu'avec un modèle SPH quasi-incompressible (WCSPH) avec le même type de conditions aux limites. Les résultats montrent que le modèle permet de représenter des écoulements dans des domaines à géométrie complexe, tout en améliorant la prédiction des champs de pression par rapport à la méthode WCSPH. L'extension du modèle en trois dimensions a été réalisée dans un code massivement parallèle fonctionnant sur carte graphique (GPU). Deux cas de validation en 3-D sont proposés, ainsi que des résultats sur un cas simple d'application en 3-D
In this work a numerical model for fluid flow simulation was developed, based on the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. SPH is a meshless Lagrangian Computational Fluid Dynamics (CFD) method that offers some advantages compared to mesh-based Eulerian methods. In particular, it is able to model flows presenting highly distorted free-surfaces or interfaces. This work tackles four issues concerning the SPH method : the imposition of boundary conditions, the accuracy of the pressure prediction, the modelling of buoyancy effects and the reduction of computational time. The aim is to model complex industrial flows with the SPH method, as a complement of what can be done with mesh-based methods. Typically, the targetted problems are 3-D free-surface or confined flows that may interact with moving solids and/or transport scalars, in particular active scalars (e.g. the temperature). To achieve this goal, a new incompressible SPH (ISPH) model is proposed, based on semi-analytical boundary conditions. This technique for the representation of boundary conditions in SPH makes it possible to accurately prescribe consistent pressure boundary conditions, contrary to what is done with classical boundary conditions in SPH. A k-epsilon turbulence closure is included in the new ISPH model. A buoyancy model was also added, based on the Boussinesq approximation. The interactions between buoyancy and turbulence are modelled. Finally, a formulation for open boundary conditions is proposed in this framework. The 2-D validation was performed on a set of test-cases that made it possible to assess the prediction capabilities of the new model regarding isothermal and non-isothermal flows, in laminar or turbulent regime. Confined cases are presented, as well as free-surface flows (one of them including a moving body in the flow). The open boundary formulation was tested on a laminar plane Poiseuille flow and on two cases of propagation of a solitary wave. Comparisons with mesh-based methods are provided with, as well as comparisons with a weakly-compressible SPH (WCSPH) model using the same kind of boundary conditions. The results show that the model is able to represent flows in complex boundary geometries, while improving the pressure prediction compared to the WCSPH method. The extension of the model to 3-D was done in a massively parallel code running on a Graphic Processing Unit (GPU). Two validation cases in 3-D are presented, as well as preliminary results on a simple 3-D application case

Une famille de conditions aux limites artificielles pour une equation de convection-diffusion ou la viscosite est petite, a ete construite et etudiee par l. Halpern en faisant appel a la transformation de fourier. Afin d'etendre cette etude au cas d'une equation a coefficients variables, on propose ici une autre methode d'etude: a une condition aux limites artificielles donnee est associe un probleme de transmission; ce probleme etant bien pose, on majore l'erreur entre le probleme original et le probleme de transmission grace a des estimations convectives et ce sans faire appel a la transformation de fourier. Cette methode est d'abord mise en uvre dans le cas d'une equation de convection-diffusion a coefficients variables: une condition aux limites artificielles est proposee et etudiee par cette methode. Quelques essais numeriques sont presentes

Ce travail concerne la résolution numérique d'écoulements incompressibles en dimensions 2 et 3. Le système de Navier-Stokes, utilisé pour modéliser ces écoulements, a été approché au moyen de schémas aux différences finis sur un maillage cartésien. Différentes méthodes ont été mises en place pour rendre plus performant le code de résolution. Tout d'abord, une méthode de pénalisation a permis de conserver un maillage cartésien quelle que soit la forme des obstacles présents dans le domaine. De plus, des conditions aux limites non réfléchissantes ont été utilisées pour les frontières artificielles afin de contrôler la taille du domaine de calcul. Enfin une méthode multigrille a accéléré la convergence de la solution. Pour améliorer la précision du code sans pour autant diminuer sa stabilité, divers schémas pour la discrétisation du terme de convection ont été étudiés et comparés.

Ce travail est consacré à la résolution e?cace de problèmes d’optimisation de forme ou de contrôle d’écoulements. Le couplage entre la pénalisation, permettant d’imposer des conditions aux bords sur maillage cartésien, et la méthode Level-Set, autorisant une représentation d’obstacles non-paramétrique et un suivi d’interface précis, est implémenté. En première partie, un problème inverse modèle, puis une optimisation géométrique en régime de Stokes, sont traités itérativement. Une attention particulière est portée à la solution des EDP près des zones pénalisées, et une montée en ordre est réalisée. Divers préconditionnements du gradient de forme sont aussi discutés a?n d’améliorer la convergence. La seconde partie est dédiée à la simulation directe d’écoulements au voisinage d’un actionneur dans le cadre d’un contrôle par jets pulsés exercé sur le corps d’Ahmed. L’étude locale montre l'in?uence de paramètres comme la fréquence de pulsation ou l’allure des pro?ls de vitesse en sortie sur la qualité de l’action. En guise de synthèse, une optimisation de la forme de l’actionneur du chapitre deux est pratiquée sous contraintes topologiques et dans un cadre simpli?é, à l’aide du couplage Level-Set/pénalisation préalablement introduit. L’objectif du problème inverse posé est de modi?er la géométrie intérieure du MEMS pour obtenir un pro?l de vitesses désiré en sortie de jet
This work deals with e?cient numerical solving of problems linked with shape optimization or ?ow control. The combination between penalization, that allows to impose boundary conditions while avoiding the use of body-?tted grids, and Level-Set methods, which enable a natural non-parametric representation of the geometries to be optimized, is implemented. In the ?rst part, a model inverse problem, and an application pertaining to optimal design in Stokes ?ows, are treated with an iterative algorithm. Special care is devoted to the solution of the PDE’s in the vicinity of the penalized regions. The discretization accuracy is increased. Various gradient preconditionings aiming at improving the convergence are also discussed. The second part is dedicated to direct numerical simulation of ?ows in the neighborhood of an actuator, in the context of active control by pulsed jets used on the Ahmed body. The local study emphasizes the in?uence of various parameters on the action quality, in particular the pulsation frequency, or the aspect of exit velocity pro?les. As a synthesis, shape optimization is performed on the actuator of chapter two, thanks to the previously introduced coupling between Level-Set and penalization. The framework is simpli?ed and topological constraints are imposed. The inverse problem we set intends to modify the MEMS inner geometry to retrieve a given jet pro?le on the exit section

The validity of the inviscid limit for the incompressible Navier-Stokes equations is one of the most important and challenging problems in the mathematical theory of fluid dynamics: the motion of inviscid fluids is described by the Euler equations, so, when the viscosity goes to zero, one would expect the convergence of NS solutions to the Euler solutions. However, NS equations are a singular perturbation of the Euler equations: the change of order of the equation implies that fewer boundary conditions can be imposed on the inviscid flows. Therefore, the no-slip boundary conditions, imposed on the NS solutions, are not satisfied by the Euler flow, for which a tangential slip is allowed. This mismatch between the behaviour at the boundary of the NS solutions and the same behaviour of their supposed limit creates a boundary layer, with large gradients of velocity in the normal direction, which make the diffusive effects comparable to the inertial ones: this situation is classically described by Prandtl's equation. The ill posedness of Prandtl's equation in Sobolev settings require the use of more regular functional spaces: in a holomorphic setting, Prandtl's equation is well posed, and the inviscid limit holds. In this thesis, we extend this result for incompatible initial data, which satisfy the no-penetration boundary condition, but allow a tangential slip, a kind of data of both numerical and theoretical interest: this extension is not trivial, since the singularity formed by this kind of initial data forces us to use different function spaces, where some of the properties used in the proof of the compatible case do not hold. In Sobolev settings, we see that, for the linearization around an inviscid flow of the NS equations, the inviscid limit actually holds: in this case, Prandtl's asymptotic expansion is not necessary, and convergence can be proved through energy methods in conormal Sobolev spaces. The linearization can be limited to the tangential part of the flow: indeed, this is enough to avoid the interaction between the diffusive effects on the boundary and strong inertial terms, which is believed to cause boundary layer separation.

Le but de ce travail est l'analyse mathématique et l'approximation numérique d'un systeme d'équations aux dérivées partielles provenant de la mécanique des fluides incompressibles. Il s'agit du systeme qui gouverne l'évolution de la vitesse et la pression moyennes d'un écoulement turbulent où l'on utilise le modèle de turbulence de Smagorinsky avec des conditions aux limites simulant la couche limite. Dans la première partie on presente quelques résultats sur l'existence, unicité et régularité de solution du systeme. Dans la deuxième partie on décrit et on analyse un schéma de résolution numérique utilisant la méthode des caractéristiques et une méthode d'éléments finis mixtes. Finalement, dans la troisième partie, on discute les détails de l'implémentation du schéma et on montre quelques résultats numériques

La détermination de la position de la transition laminaire/turbulent est un enjeu majeur de l'aérodynamique moderne. De nombreuses expériences ont montré qu'au sein de couches limites soumises à de fortes perturbations extérieures, le scénario classique de transition par ondes de Tollmien-Schlichting n'est plus valide. Dans de telles conditions, les perturbations prennent la forme de modes de Klebanoff plus communément appelés stries. Ces stries peuvent être amplifiées de façon transitoire et déclencher une transition prématurée, dite Bypass, signifiant que la transition naturelle a été court-circuitée. Le problème est qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas de modèle permettant de prévoir cette transition Bypass. L'objectif de cette thèse est de proposer un critère de transition lorsque l'étude du mode de Tollmien-Schlichting ne fournit plus de renseignements pertinents. La première étape a consisté à déterminer les caractéristiques des stries les plus amplifiées dans une couche limite bidimensionnelle compressible ; bien que cette approche fournisse des résultats cruciaux, les stries ainsi calculées correspondent à un état optimum qui peut se révéler très éloigné de l'état physique obtenu expérimentalement. L'étape suivante a donc consisté à mettre en place un modèle, s'appuyant sur la théorie des perturbations optimales, permettant de prévoir la transition Bypass au sein de couches limites soumises à un environnement extérieur fortement perturbé. L'application du modèle à des couches limites soumises à une forte turbulence extérieure ou se développant sur des parois rugueuses a fournit des résultats pertinents aux regards des valeurs expérimentales existantes.

Le travail présent concerne l'étude de la transition laminaire-turbulent dans la couche limite tridimensionnelle. Il comporte trois parties. La première est consacrée à une étude bibliographique qui fait une revue rapide de résultats connus concernant les phénomènes prenant place dans la couche limite. Cette étude est menée grâce à la théorie de stabilité linéaire. Des phénomènes transitionnels concernant les écoulements bi- et tridimensionnels sont donnés. La méthode du eN, qui permet une estimation de l'abscisse de transition, est ensuite présentée en détail. La deuxième partie consiste en l'analyse de trois problèmes: la stratégie d'optimisation de l'amplification, la stratégie d'intégration et la courbure. On s'est particulièrement attaché à l'étude du dernier problème. En effet, la prise en compte de la forme du profil d'aile ainsi que la déformation du repère modifient sensiblement les résultats. Le développement de méthodes liées à ces problèmes a ensuite été intégré dans un code de calcul qui est décrit en détail. Dans la dernière partie, on met en œuvre les outils développés précédemment en les appliquant à sept configurations. Cinq d'entre elles s'appuient sur des expériences réalisées dans diverses souffleries avec des écoulements qui vont de l'incompressible au supersonique. Les applications permettent de discuter la validité de certaines hypothèses et montrent les limitations de la méthode du eN.

This thesis concerns the mathematical analysis of some hydrodynamic models describing quantum fluids, namely fluids whose macroscopic behavior still exhibits quantum effects. The prototype model for such fluids is the quantum hydrodynamic (QHD) system arising as model in the description of phenomena like superfluidity, Bose-Einstein condensation (BEC), superconductivity, quantum plasmas and semi conductor devices. From a mathematical point of view, the QHD system is given by a compressible Euler system augmented by a stress tensor accounting for the quantum features in the fluid and which depends on the density and its derivatives. Stress tensors of this kind also appear in the theory of capillarity developed by Korteweg, one refers to these systems as Euler–Korteweg and Navier–Stokes-Korteweg systems when inviscid or viscous respectively. Motivated by the analysis of some physically relevant solutions like quantized vortices, we consider the system on the whole space complemented with non-zero boundary conditions at infinity. The Cauchy problem for finite and infinite energy weak solutions (including vortex solutions) is investigated. Our method relies on the equivalence between QHD systems and NLS type equations through the Madelung transforms and the polar factorization method that renders the equivalence rigorous for rough solutions. We are thus led to study the well-posedness theory in the energy space for a class of nonlinear Schrödinger equations with non-zero boundary conditions at infinity that we develop ad-hoc. Moreover, we consider the asymptotic behavior of weak solutions to the QHD system in a suitable scaling regime that is linked to the study of quantized vortices and can be interpreted as quantum counterpart of the low Mach number limit of classical fluid dynamics. The dispersion relation of acoustic waves turns out to be characterized by the Bogoliubov dispersion relation. In the scaling regime, the dynamics of vortex solutions can be asymptotically described by the Kirchhoff-Onsager ODE system. Secondly, we study the quantum Navier-Stokes (QNS) equations that can be understood as a viscous regularization of the QHD system with density dependent viscosity tensor. Physically, it is motivated by applications in the modeling of dissipative quantum fluids and as a showcase model for capillary fluids. We introduce global existence of finite energy weak solutions of the quantum Navier-Stokes system with non-trivial far-field behavior. In contrast to the results for the QHD system, the analysis of the QNS system is entirely based on techniques from fluid dynamics. Finally, we investigate the low Mach number limit and prove strong convergence to weak solutions of the incompressible Navier-Stokes equations for general ill-prepared data.

En application, on souhaite générer des nombres aléatoires avec une loi précise (méthode de Monte Carlo par chaines de Markov - MCMC (Markov Chaine Monte Carlo)). La méthode consiste à trouver une diffusion qui a la loi invariante souhaitée et à montrer la convergence de cette diffusion vers son équilibre avec une vitesse exponentielle. L’exposant de cette convergence est le trou spectral du générateur. Il a été montré par Chii-Ruey Hwang, Shu-Yin Hwang-Ma, et Shuenn-Jyi Sheu qu’on peut agrandir le trou spectral, en rajoutant un terme non-symétrique au générateur auto-adjoint (souvent utilisé en MCMC). Ceci correspond à passer d’une diffusion réversible (en detailed balance) à une diffusion non réversible. Un moyen de construire une diffusion non-réversible avec la même mesure invariante est de rajouter un flot incompressible à la dynamique de la diffusion réversible.Dans cette thèse, nous étudions le comportement de la diffusion lorsqu’on accélère le flot sous-jacent en multipliant le champ des vecteurs qui le décrit par une grande constante. P. Constantin, A.Kisekev, L.Ryzhik et A.Zlatoš (2008) ont montré que si le flot était faiblement mélangeant alors l’accélération du flot suffisait pour faire converger la diffusion vers son équilibre en un temps fini. Dans ce travail, on explicite la vitesse de ce phénomène sous une condition de corrélation du flot. L’article de B. Franke, C.-R.Hwang, H.-M. Pai et S.-J. Sheu (2010) donne l’expression asymptotique du trou spectral lorsque le flot sous-jacent est accéléré vers l’infini. Ici aussi, on s’intéresse à la vitesse avec laquelle le phénomène se manifeste. Dans un premier temps, nous étudions le cas particulier d’une diffusion du type Ornstein-Uhlenbeck qui est perturbée par un flot préservant la mesure gaussienne. Dans ce cas, grâce à un résultat de G. Metafune, D. Pallara et E. Priola (2002), nous pouvons réduire l’étude du spectre du générateur à des valeurs propres d’une famille de matrices. Nous étudions ce problème avec des méthodes de développement limité des valeurs propres. Ce problème est résolu explicitement dans cette thèse et nous donnons aussi une borne pour le rayon de convergence du développement. Nous généralisons ensuite cette méthode dans le cas d’une diffusion générale de façon formelle. Ces résultats peuvent être utiles pour avoir une première idée sur les vitesses de convergence du trou spectral décrites dans l’article de Franke et al. (2010)
In application, we would like to generate random numbers with a precise law MCMC (Markov Chaine Monte Carlo). The method consists in finding a diffusion which has the desired invariant law and in showing the convergence of this diffusion towards its equilibrium with an exponential rate. The exponent of this convergence is the spectral gap of the generator. It was shown by C.-R. Hwang, S.-Y. Hwang-Ma and S.-J. Sheu that the spectral gap can grow up by adding a non-symmetric term to the self-adjoint generator.This corresponds to passing from a reversible diffusion to a non-reversible diffusion. A means of constructing a non-reversible diffusion with the same invariant measure is to add an incompressible flow to the dynamics of the reversible diffusion.In this thesis, we study the behavior of diffusion when the flow is accelerated by multiplying the field of the vectors which describes it by a large constant. In 2008, P. Constantin, A. Kisekev, L. Ryzhik and A. Zlatoˇs have shown that if the flow was weakly mixing then the acceleration of the flow was sufficient to converge the diffusion towards its equilibrium after finite time. In this work, the speed of this phenomenon is explained under a condition of correlation of the flow. The article by B. Franke, C.-R.Hwang, H.-M. Pai and S.-J.Sheu (2010) gives the asymptotic expression of the spectral gap when the large constant goes to infinity. Here we are also interested in the speed with which the phenomenon manifests itself. First, we study the special case of an Ornstein-Uhlenbeck diffusion which is perturbed by a flow preserving the Gaussian measure. In this case, thanks to a result of G. Metafune, D. Pallara and E. Priola (2002), we can reduce the study of the generator spectrum to eigenvalues of a family of matrices. We study this problem with methods of limited development of eigenvalues. This problem is solved explicitly in this thesis and we also give a boundary for the convergence radius of the development. We then generalize this method in the case of a general diffusion in a formal way. These results may be useful to have a first idea on the speeds of convergence of the spectral gap described in the article by Franke et al. (2010)

On développe une méthode numérique de volumes finis. La région de transition y est modélisée à l'aide de la méthode d'intermittence. Application aux cas d'une aile flèche infinie, d'une aile effilée et d'un ellipsoide de révolution en incidence.

Ce manuscrit porte sur les transitions compressible-incompressible dans les équations aux dérivées partielles de la mécanique des fluides. On s'intéresse à deux problèmes : les structures flottantes et les fluides en rotation. Dans le premier problème, l'introduction d'un objet flottant dans les vagues induit une contrainte sur le fluide et les équations gouvernant le mouvement acquièrent une structure compressible-incompressible. Dans le deuxième problème, le mouvement de fluides géophysiques compressibles est influencé par la rotation de la Terre. L'étude de la limite à rotation rapide montre que le champ vectoriel de vitesse tend vers une configuration horizontale et incompressible.Les structures flottantes constituent un exemple particulier d'interaction fluide-structure, où un solide partiellement immergé flotte à la surface du fluide. Ce problème mathématique modélise le mouvement de convertisseurs d'énergie marine. En particulier, on s'intéresse aux bouées pilonnantes, installées proche de la côte où les modèles asymptotiques en eaux peu profondes sont valables. On étudie les équations de Saint-Venant axisymétriques en dimension deux avec un objet flottant à murs verticaux se déplaçant seulement verticalement. Les hypothèses sur le solide permettent de supprimer le problème à bord libre associé avec la ligne de contact entre l'air, le fluide et le solide. Les équations pour le fluide dans le domaine extérieur au solide sont donc écrites comme un problème au bord quasi-linéaire hyperbolique. Celui-ci est couplé avec une EDO non-linéaire du second ordre qui est dérivée de l'équation de Newton pour le mouvement libre du solide. On montre le caractère bien posé localement en temps du système couplé lorsque que les données initiales satisfont des conditions de compatibilité afin de générer des solutions régulières.Ensuite on considère une configuration particulière: le retour à l'équilibre. Il s'agit de considérer un solide partiellement immergé dans un fluide initialement au repos et de le laisser retourner à sa position d'équilibre. Pour cela, on utilise un modèle hydrodynamique différent, où les équations sont linearisées dans le domaine extérieur, tandis que les effets non-linéaires sont considérés en dessous du solide. Le mouvement du solide est décrit par une équation intégro-différentielle non-linéaire du second ordre qui justifie rigoureusement l'équation de Cummins, utilisée par les ingénieurs pour les mouvements des objets flottants. L'équation que l'on dérive améliore l'approche linéaire de Cummins en tenant compte des effets non-linéaires. On montre l'existence et l'unicité globale de la solution pour des données petites en utilisant la conservation de l'énergie du système fluide-structure.Dans la deuxième partie du manuscrit, on étudie les fluides en rotation rapide. Ce problème mathématique modélise le mouvement des flots géophysiques à grandes échelles influencés par la rotation de la Terre. Le mouvement est aussi affecté par la gravité, ce qui donne lieu à une stratification de la densité dans les fluides compressibles. La rotation génère de l'anisotropie dans les flots visqueux et la viscosité turbulente verticale tend vers zéro dans la limite à rotation rapide. Notre interêt porte sur ce problème de limite singulière en tenant compte des effets gravitationnels et compressibles. On étudie les équations de Navier-Stokes-Coriolis anisotropes compressibles avec force gravitationnelle dans la bande infinie horizontale avec une condition au bord de non glissement. Celle-ci et la force de Coriolis donnent lieu à l'apparition des couches d'Ekman proche du bord. Dans ce travail on considère des données initiales bien préparées. On montre un résultat de stabilité des solutions faibles globales pour des lois de pression particulières. La dynamique limite est décrite par une équation quasi-géostrophique visqueuse en dimension deux avec un terme d'amortissement qui tient compte des couches limites
This manuscript deals with compressible-incompressible transitions arising in partial differential equations of fluid mechanics. We investigate two problems: floating structures and rotating fluids. In the first problem, the introduction of a floating object into water waves enforces a constraint on the fluid and the governing equations turn out to have a compressible-incompressible structure. In the second problem, the motion of geophysical compressible fluids is affected by the Earth's rotation and the study of the high rotation limit shows that the velocity vector field tends to be horizontal and with an incompressibility constraint.Floating structures are a particular example of fluid-structure interaction, in which a partially immersed solid is floating at the fluid surface. This mathematical problem models the motion of wave energy converters in sea water. In particular, we focus on heaving buoys, usually implemented in the near-shore zone, where the shallow water asymptotic models describe accurately the motion of waves. We study the two-dimensional nonlinear shallow water equations in the axisymmetric configuration in the presence of a floating object with vertical side-walls moving only vertically. The assumptions on the solid permit to avoid the free boundary problem associated with the moving contact line between the air, the water and the solid. Hence, in the domain exterior to the solid the fluid equations can be written as an hyperbolic quasilinear initial boundary value problem. This couples with a nonlinear second order ODE derived from Newton's law for the free solid motion. Local in time well-posedness of the coupled system is shown provided some compatibility conditions are satisfied by the initial data in order to generate smooth solutions.Afterwards, we address a particular configuration of this fluid-structure interaction: the return to equilibrium. It consists in releasing a partially immersed solid body into a fluid initially at rest and letting it evolve towards its equilibrium position. A different hydrodynamical model is used. In the exterior domain the equations are linearized but the nonlinear effects are taken into account under the solid. The equation for the solid motion becomes a nonlinear second order integro-differential equation which rigorously justifies the Cummins equation, assumed by engineers to govern the motion of floating objects. Moreover, the equation derived improves the linear approach of Cummins by taking into account the nonlinear effects. The global existence and uniqueness of the solution is shown for small data using the conservation of the energy of the fluid-structure system.In the second part of the manuscript, highly rotating fluids are studied. This mathematical problem models the motion of geophysical flows at large scales affected by the Earth's rotation, such as massive oceanic and atmospheric currents. The motion is also influenced by the gravity, which causes a stratification of the density in compressible fluids. The rotation generates anisotropy in viscous flows and the vertical turbulent viscosity tends to zero in the high rotation limit. Our interest lies in this singular limit problem taking into account gravitational and compressible effects. We study the compressible anisotropic Navier-Stokes-Coriolis equations with gravitational force in the horizontal infinite slab with no-slip boundary condition. Both this condition and the Coriolis force cause the apparition of Ekman layers near the boundary. They are taken into account in the analysis by adding corrector terms which decay in the interior of the domain. In this work well-prepared initial data are considered. A stability result of global weak solutions is shown for power-type pressure laws. The limit dynamics is described by a two-dimensional viscous quasi-geostrophic equation with a damping term that accounts for the boundary layers

L'objectif de cette thèse consiste à étudier la méthode de pénalité-projection vectorielle notée VPP (Vector Penalty-Projection method), qui est une méthode à pas fractionnaire pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressible avec conditions aux limites ouvertes. Nous présentons une revue bibliographique des méthodes de projection traitant le couplage de vitesse et de pression. Nous nous intéressons dans un premier temps aux conditions de Dirichlet sur toute la frontière. Les tests numériques montrent une convergence d'ordre deux en temps pour la vitesse et la pression et prouvent que la méthode est rapide et peu coûteuse en terme de nombre d'itérations par pas de temps. En outre, nous établissons des estimations d'erreurs de la vitesse et de la pression et les essais numériques révèlent une parfaite concordance avec les résultats théoriques. En revanche, la contrainte d'incompressibilité n'est pas exactement nulle et converge avec un ordre de O(varepsilondelta t) où varepsilon est un paramètre de pénalité choisi assez petit et delta t le pas temps. Dans un second temps, la thèse traite les conditions aux limites ouvertes naturelles. Trois types de conditions de sortie sont étudiés et testés numériquement pour l'étape de projection. Nous effectuons des comparaisons quantitatives des résultats avec d'autres méthodes de projection. Les essais numériques sont en concordance avec les estimations théoriques également établies. Le dernier chapitre est consacré à l'étude numérique du schéma VPP en présence d'une condition aux limites ouvertes non-linéaire sur une frontière artificielle modélisant une charge singulière pour le problème de Navier-Stokes
Motivated by solving the incompressible Navier-Stokes equations with open boundary conditions, this thesis studies the Vector Penalty-Projection method denoted VPP, which is a splitting method in time. We first present a literature review of the projection methods addressing the issue of the velocity-pressure coupling in the incompressible Navier-Stokes system. First, we focus on the case of Dirichlet conditions on the entire boundary. The numerical tests show a second-order convergence in time for both the velocity and the pressure. They also show that the VPP method is fast and cheap in terms of number of iterations at each time step. In addition, we established for the Stokes problem optimal error estimates for the velocity and pressure and the numerical experiments are in perfect agreement with the theoretical results. However, the incompressibility constraint is not exactly equal to zero and it scales as O(varepsilondelta t) where $varepsilon$ is a penalty parameter chosen small enough and delta t is the time step. Moreover, we deal with the natural outflow boundary condition. Three types of outflow boundary conditions are presented and numerically tested for the projection step. We perform quantitative comparisons of the results with those obtained by other methods in the literature. Besides, a theoretical study of the VPP method with outflow boundary conditions is stated and the numerical tests prove to be in good agreement with the theoretical results. In the last chapter, we focus on the numerical study of the VPP scheme with a nonlinear open artificial boundary condition modelling a singular load for the unsteady incompressible Navier-Stokes problem

Ce travail porte sur la simulation d'écoulements turbulents dans l'ensemble d'un coeur de réacteur nucléaire en utilisant des approches multi-échelles. Nous proposons tout d'abord un modèle de turbulence macroscopique, basé sur une approche de type milieu poreux, pour décrire l'écoulement dans la région combustible du coeur de réacteur. Puis, nous étudions les conditions de saut à imposer aux interfaces entre les régions libres et les régions poreuses. Une étude analytique poussée, menée sur le cas des écoulements laminaires, permet de répondre à des questions fondamentales concernant la signification physique des conditions de saut, la valeur des paramètres de saut, ainsi que la position de l'interface. En utilisant les connaissances acquises au cours de cette analyse, nous proposons des conditions de saut à l'interface libre/poreux pour le cas des écoulements turbulents. Le modèle obtenu est alors appliqué à la simulation d'un écoulement turbulent dans un modèle simplifié de coeur de réacteur.

An original numerical method to solve the all-Mach number flow for the Euler equations of gas dynamics on staggered grid is presented in this thesis. The system is discretized to second order in space on staggered grid, in a fashion similar to the Nessyahu-Tadmor central scheme for 1D model and Jang-Tadmor central scheme for 2D model, thus simplifying the flux computation. This approach turns out to be extremely simple, since it requires no equation splitting. We consider the isentropic case and the general case. For simplicity we assume a gamma-law gas in both cases. Both approaches are based on IMEX strategy, in which some term is treated explicitly, while other terms are treated implicitly, thus avoiding the classical CFL restriction due to acoustic waves. - In Isentropic Euler Case: The core if the implicit term contains a non-linear elliptic equation for the pressure, which has to be treated by a fully implicit technique. Because of the non-linearity, it is necessary to adopt an iterative method to compute the pressure. In our numerical experiments Newton's method worked with few iterations. - General Euler Case: In this case the implicit term is treated in a semi-implicit fashion, thus avoiding the use of Newton's iterations. In both cases the schemes are implemented to second order accuracy in time. Suitably well-prepared initial conditions are considered, which depend on the Mach number. In one space dimension we obtain the same profiles found in the literature for the isentropic case and for the general Euler system for all Mach numbers. In particular, the schemes have been shown to be AP, in the sense that they become a consistent discretizzation of the incompressible Euler equation as the Mach number approaches zero. Numerical evidence of such AP property is provided on a two dimensional test case. The last chapter deals with the piston problem in Lagrangian coordinates treated by a semi-implicit scheme. The implicit treatment of the boundary conditions is originally developed in the thesis. It is shown that for very low Mach number the scheme is able to recover the adiabatic solution with very large CFL numbers. For moderate Mach numbers, or in presence of an initial acoustic wave, loss of accuracy is observerd if the CFL is too large. This drawback can be cured by using a suitable time step control, which will be subject of future investigation. Current work is also related on the development of higher order accurate schemes for 1D and 2D problems.

Les phénomènes de transport en milieux poreux sont étudiés depuis près de deux siècles, cependant les travaux concernant les milieux fortement poreux sont encore relativement peu nombreux. Les modèles couramment utilisés pour les poreux classiques (lits de grains par exemple) sont peu applicables pour les milieux fortement poreux (les mousses par exemple), un certain nombre d’études ont été entreprises pour combler ce manque. Néanmoins, les résultats expérimentaux et numériques caractérisant les pertes de charge dans les mousses sont fortement dispersés. Du fait des progrès de l’imagerie 3D, une tendance émergente est la détermination des paramètres des lois d’écoulement à partir de simulations directes sur des géométries reconstruites. Nous présentons ici l’utilisation d’une nouvelle approche cinétique pour résoudre localement les équations de Navier-Stokes et déterminer les propriétés d’écoulement (perméabilité, dispersion, ...)
A novel kinetic scheme satisfying an entropy condition is developed, tested and implemented for the simulation of practical problems. The construction of this new entropic scheme is presented. A classical hyperbolic system is approximated by a discrete velocity vector kinetic scheme (with the simplified BGK collisional operator), but applied to an inviscid compressible gas dynamics system with a small Mach number parameter, according to the approach of Carfora and Natalini (2008). The numerical viscosity is controlled, and tends to the physical viscosity of the Navier-Stokes system. The proposed numerical scheme is analyzed and formulated as an explicit finite volume flux vector splitting (FVS) scheme that is very easy to implement. It is close in spirit to Lattice Boltzmann schemes, but it has the advantage to satisfy a discrete entropy inequality under a CFL condition and a subcharacteristic stability condition involving a cell Reynolds number. The new scheme is proved to be second-order accurate in space. We show the efficiency of the method in terms of accuracy and robustness on a variety of classical benchmark tests. Some physical problems have been studied in order to show the usefulness of both schemes. The LB code was successfully used to determine the longitudinal dispersion of metallic foams, with the use of a novel indicator. The entropic code was used to determine the permeability tensor of various porous media, from the Fontainebleau sandstone (low porosity) to a redwood tree sample (high porosity). These results are pretty accurate. Finally, the entropic framework is applied to the advection-diffusion equation as a passive scalar

Les problèmes étudiés dans cette thèse ont trait à la dynamique des points vortex dans deux équations pour les fluides ou superfluides bidimensionnels. La première partie est dévolue à l'équation d'Euler incompressible. Nous y analysons le système mixte Euler-points vortex, introduit par Marchioro et Pulvirenti, qui décrit l'évolution d'un tourbillon obtenu par superposition de points vortex et d'une composante plus régulière. Nous examinons diverses problématiques telles que le lien entre les points de vue lagrangien et eulérien, l'unicité, l'existence et l'expansion du support du tourbillon. La seconde partie de la thèse est consacrée à une équation de Ginzburg-Landau complexe obtenue en ajoutant un terme de dissipation à l'équation de Gross-Pitaevskii. Après avoir examiné le problème de Cauchy dans l'espace d'énergie correspondant, nous étudions la dynamique des points vortex dans le cadre de données très bien préparées. Dans un dernier temps, nous considérons un autre régime asymptotique, sans vortex, dans lequel les solutions sont des perturbations de champs constants de module égal à un. Une dynamique de type ondes amorties pour la perturbation est mise en évidence.

Ce travail de thèse concerne les méthodes numériques à base d'ondelettes pour la simulation de la turbulence incompressible. L'objectif principal est la prise en compte de conditions aux limites physiques dans la résolution des équations de Navier-Stokes. Contrairement aux travaux précédents où la vorticité était décomposée sur base d'ondelettes classiques, le point de vue qui est adopté ici vise à calculer le champ de vitesse de l'écoulement sous la forme d'une série d'ondelettes à divergence nulle. On est alors dans le cadre des équations de Navier-Stokes incompressibles en formulation vitesse-pression, pour lesquelles les conditions aux limites sur la vitesse s'écrivent explicitement, ce qui diffère de la formulation vitesse-tourbillon. Le principe de la méthode développée dans cette thèse consiste à injecter directement les conditions aux limites sur la base d'ondelettes. Ce travail prolonge la thèse de E. Deriaz réalisée dans le cas périodique. La première partie de ce travail a donc été la définition et la mise en œuvre de nouvelles bases d'ondelettes à divergence nulle ou à rotationnel nul sur $[0,1]^n$, permettant la prise en compte de conditions aux limites, à partir des travaux originaux de P. G. Lemarié-Rieusset, K. Urban, E. Deriaz et V. Perrier. Dans une deuxième partie, des méthodes numériques efficaces utilisant ces nouvelles ondelettes sont proposées pour résoudre différents problèmes classiques : équation de la chaleur, problème de Stokes et calcul de la décomposition de Helmholtz-Hodge en non périodique. L'existence d'algorithmes rapides associés rend les méthodes compétitives. La dernière partie est consacrée à la définition de deux nouveaux schémas de résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles par ondelettes, qui utilisent les ingrédients précédents. Des expériences numériques menées pour la simulation d'écoulement en cavité entraînée en dimension deux ou le problème de la reconnection de tubes de vortex en dimension trois montrent le fort potentiel des algorithmes développés.

碩士
國立臺灣大學
數學研究所
94
We add the trap potentials based on coupled systems of nonlinear Schrodinger equation in the previous paper, and use these to conjecture possible effect of compressible and incompressible limits. The main idea of our arguments is to define an ``H-function'', to prove some conservation laws, and to calculate for result after substitution. There are four sections in this paper. In Section 1, we write the equations discussed in the main bibliography. Moreover, we discuss the result after adding one term(trap potential), and conclude the outcome. In Section 2, we prove some conservation laws. According to these,we prove the two main theorem in Section 3 and Section 4.

博士
國立中央大學
數學系
106
There are two sub-projects in this dissertation: one is the problem of the incompressible limits for rotational compressible MHD flows and another is the well-posedness of Navier-Stokes equations with surface tension in an optimal Sobolev space. 　　 In the first sub-project, we consider the compressible models of magnetohydrodynamic flows which gives rise to a variety of mathematical problems in many areas. We introduce the asymptotic limit for the compressible rotational magnetohydrodynamic flows with the well-prepared initial data such that a rigorous quasi-geostrophic equation with diffusion term governed by the magnetic field from a compressible rotational magnetohydrodynamic flows is derived. After that, we show the two results: the existence of the unique global strong solution of quasi-geostrophic equation with good regularity on the velocity and magnetic field and the derivation of quasi-geostrophic equation with diffusion. 　　 In the second sub-project, we establish the existence of a solution to the 2-dimensional Navier-Stokes equations with surface tension on a moving domain. To deal with the free boundary problem, we adopt the ALE formulation which transform the moving domain into a fixed domain. Next, we show the well-posedness of this systems in an optimal sobolev space and no compatibility conditions are required to guarantee the existence of a solution.

This dissertation is a collection of several results in the analysis of partial differential equations arising in mathematical physics and biology. The themes we explore are diverse in their quantitative mathematical properties and applications – yet, a common feature of our studies is the necessity of developing and implementing a variety of weak convergence and compactness methods, indispensable when dealing with nonlinear phenomena. In the first part of the thesis, we investigate the relation between regularity and conserved quantities for some equations arising in fluid dynamics. The main results here are a sufficient regularity condition for local conservation of energy for weak solutions of the Euler-Korteweg system, and an analogous study for the compressible Euler and NavierStokes equations in the degenerate case of possible vacuum formation. Next, we study the archetypal equation in the field of structured population dynamics, namely the growth-fragmentation equation, which is a linear integro-differential equation describing competition between the phenomena of aggregation and fragmentation. The main result of this part is proving that solutions emanating from initial data in the space of positive Radon measures converge, in an appropriate weighted sense, to a steady size distribution. Finally, we consider a two-species model motivated by applications in tumour modelling. The two species are coupled by an elliptic equation tying their velocity potential to the total population pressure. This link is usually referred to as Brinkman’s law. A further coupling is given by a relation between the pressure and a power of the total population density. We establish an existence and uniqueness result, and perform an incompressible limit as the stiffness of the pressure law tends to infinity. This establishes a rigorous connection with a free-boundary model of Hele-Shaw flavour.
Niniejsza rozprawa stanowi zbiór wyników dotyczących matematycznej analizy pewnych równań różniczkowych cząstkowych motywowanych zagadnieniami fizyki i biologii matematycznej. Tematy, które badamy, są różnorodne ze względu na własności jakościowe oraz zastosowania – jednakże wspólną ich cechą jest potrzeba starannego rozwijania całego wachlarza metod słabej zbieżności i zwartości, nieodzownych przy analizie zjawisk nieliniowych. W pierwszej części rozprawy badamy związek pomiędzy regularnością a wielkościami zachowywanymi dla pewnych równań obecnych w mechanice płynów. Głównymi wynikami są tutaj warunki wystarczające do zapewnienia spełnienia lokalnej równości energetycznej przez słabe rozwiązania układu Eulera-Kortewega, oraz ściśliwego układu Eulera (a również Naviera-Stokesa) w zdegenerowanym przypadku występowania obszarów próżni. Następnie badamy podstawowe równanie w dziedzinie dynamiki populacji ze strukturą, a mianowicie równanie wzrostu-podziału. Jest to liniowe równanie całkowo-różniczkowe opisujące współzawodnictwo pomiędzy procesami wzrostu komórkowego a fragmentacją. Głównym wynikiem tej części rozprawy jest wykazanie, że rozwiązanie pochodzące z danych początkowych w przestrzeni nieujemnych miar Radona zbiega, w odpowiedniej normie z wagą, do stanu stacjonarnego. W ostatniej części rozprawy rozważamy dwugatunkowy model motywowany zastosowaniami w opisie wzrostu komórek nowotworowych. Równania zadające dynamikę obu gatunków są sprzężone poprzez prawo Brinkmana, tj. równanie eliptyczne wiążące ich prędkość z ciśnieniem, które jest z kolei proporcjonalne do potęgi całkowitej gęstości populacji. Uzyskane wyniki dotyczą istnienia oraz jednoznaczności słabych rozwiązań układu, oraz przejścia asymptotycznego z wykładnikiem zadającym związek pomiędzy ciśnieniem a całkowitą populacją. Ukazuje to powiązanie rozważanego modelu z geometrycznym modelem o swobodnym brzegu.