Le secteur de l’énergie houlomotrice s’appuie fortement sur la modélisation mathématique et la simulation d’expériences physiques mettant en jeu les interactions entre les ondes et les corps. Dans ce travail, nous avons développé un modèle d’interaction de fidélité moyenne vague-corps pour la simulation de structures tronquées flottantes fonctionnant en mouvement vertical. Ce travail concerne l’ingénierie de l’énergie marine, pour des applications telles que les convertisseurs d’énergie de vague (WEC) à absorption ponctuelle, même si ses applications peuvent aussi être utilisées en ingénierie maritime et navale. Les motivations de ce travail reposent sur les méthodes standard actuelles pour décrire l’interaction corps-vague. Cellesci sont basées sur des modèles résolvant le flux de potentiel linéaire (LPF), du fait de leur grande efficacité. Cependant, les modèles LPF sont basés sur l’hypothèse de faible amplitude et ne peuvent pas répresenter les effets hydrodynamiques non linéaires, importants pour le WEC opérant dans la région de résonance ou dans les régions proches du rivage. En effet, il a été démontré que les modèles LFP prédisent de manière excessive la production de puissance, sauf si des coefficients de traînée sont calibrés. Plus récemment, des simulations Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) ont été utilisées pour les WEC. RANS est un modèle complet et précis, mais très coûteux en calcul. Il n’est ni adapté à l’optimisation d’appareils uniques ni aux parcs énergétiques. Nous avons donc proposé un modèle de fidélité moyenne basé sur des équations de type Boussinesq, afin d’améliorer le compromis entre précision et efficacité. Les équations de type Boussinesq sont des modèles d’ondes intégrées en profondeur et ont été un outil d’ingénierie standard pour la simulation numérique de la propagation d’ondes non linéaires dans les eaux peu profondes et les zones côtières. Grâce à l’élimination de la dimension verticale, le modèle résultant est très efficace et évite la description temporelle de la limite entre la surface libre et l’air. Jiang (2001) a proposé un modèle de Boussinesq unifié, décomposant le problème en deux domaines : surface libre et corps. Dans cette méthode, le domaine du corps est également modélisé par une approche intégrée en profondeur - d’où le terme unifié. Récemment, Lannes (2016) avait analysé de manière rigoureuse une configuration similaire dans une équation non linéaire en eaux peu profondes, en déduisant une solution exacte et semi-analitique pour des corps en mouvement. Suivant la même approche, Godlewski et al. (2018) a élaboré un modèle de flux d’eau peu profonde encombrée. [...] Dans cette thèse, nous développons les résultats présentés par Eskilsson et al. (2016) et Bosi et al. (2019). Le modèle est étendu à deux dimensions horizontales. Le modèle 1D est vérifié à l’aide de solutions fabriquées et validé par rapport aux résultats publiés sur l’interaction vague-corps en 1D pour les pontons fixes et corps en mouvement de soulèvement forcé et libre. Les résultats des preuves de concept de la simulation de plusieurs corps sont présentés. Nous validons et vérifions le modèle 2D en suivant des étapes similaires. Enfin, nous mettons en oeuvre la technique de verrouillage, une méthode de contrôle de mouvement du corps pour améliorer la réponse au mouvement des vagues. Il est démontré que le modèle possède une excellente précision, qu’il est pertinent pour les applications d’ondes en interaction avec des dispositifs à énergie houlomotrice et qu’il peut être étendu pour simuler des cas plus complexes. / The wave energy sector relies heavily on mathematical modelling and simulation of the interactions between waves and floating bodies. In this work, we have developed a medium-fidelity wave-body interaction model for the simulation of truncated surface piercing structures operating in heave motion, such as point absorbers wave energy converters (WECs). The motivation of the work lies in the present approach to wave-body interaction. The standard approach is to use models based on linear potential flow (LPF). LPF models are based on the small amplitude/ small motion assumption and, while highly computational efficient, cannot account for nonlinear hydrodynamic effects (except for Morison-type drag). Nonlinear effects are particularly important for WEC operating in resonance, or in nearshore regions where wave transformations are expected. More recently, Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations have been employed for modelling WECs. RANS is a complete and accurate model but computationally very costly. At present RANS models are therefore unsuited for the optimization of single devices, not to mention energy farms. Thus, we propose a numerical model based built on Boussinesq-type equations to include wave-wave interaction as well as finite body motion in a computationally efficient formulation. Boussinesq-type equations are depth-integrated wave models and are standard engineering tool for numerical simulation of propagation of nonlinear wave in shallow water and coastal areas. Thanks to the elimination of the vertical dimension and the avoidance of a time-dependent computational the resulting model is very computational efficient. Jiang (Jiang, 2001) proposed a unified Boussinesq model, decomposing the problem into free surface and body domains. Notably, in Jiang’s methodology also the body domain is modeled by a depth-integrated approach –hence the term unified. As all models based on Boussinesq-type equations, the model is limited to shallow and intermediate depth regimes. We consider the Madsen and Sørensen model, an enhanced Boussinesq model, for the propagation of waves. We employ a spectral/hp finite element method (SEM) to discretize the governing equations. The continuous SEM is used inside each domain and flux-based coupling conditions are derived from the discontinuous Galerkin method. The use of SEM give support for the use of adaptive meshes for geometric flexibility and high-order accurate approximations makes the scheme computationally efficient. In this thesis, we present 1D results for the propagation and interaction of waves with floating structures. The 1D model is verified using manufactured solutions. The model is then validated against published results for wave-body interaction. The hydrostatic cases (forced motion and decay test) are compared to analytical and semi-analytical solutions (Lannes, 2017), while the non-hydrostatic tests (fixed pontoon and freely heaving bodies) are compared to RANS reference solutions. The model is easily extended to handle multiple bodies and a proof-of-concept result is presented. Finally, we implement the latching technique, a method to control the movement of the body such that the response to the wave movement is improved. The model is extended to two horizontal dimensions and verified and validated against manufactured solutions and RANS simulations. The model is found to have a good accuracy both in one and two dimensions and is relevant for applications of waves interacting with wave energy devices. The model can be extended to simulate more complex cases such as WEC farms/arrays or include power generation systems to the device.

Cette thèse est consacrée à la modélisation des tsunamis. La vie de ces vagues peut être conditionnellement divisée en trois parties: génération, propagation et inondation. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la génération de ces vagues extrêmes. Dans cette partie du mémoire, nous examinons les différentes approches existantes pour la modélisation, puis nous en proposons d'autres. La conclusion principale à laquelle nous sommes arrivés est que le couplage entre la sismologie et l'hydrodynamique est actuellement assez mal compris.<br /> <br />Le deuxième chapitre est dédié essentiellement aux équations de Boussinesq qui sont souvent utilisées pour modéliser la propagation d'un tsunami. Certains auteurs les utilisent même pour modéliser le processus d'inondation (le run-up). Plus précisement, nous discutons de l'importance, de la nature et de l'inclusion des effets dissipatifs dans les modèles d'ondes longues.<br /> <br />Dans le troisième chapitre, nous changeons de sujet et nous nous tournons vers les écoulements diphasiques. Le but de ce chapitre est de proposer un modèle simple et opérationnel pour la modélisation de l'impact d'une vague sur les structures côtières. Ensuite, nous discutons de la discrétisation numérique de ces équations avec un schéma de type volumes finis sur des maillages non structurés.<br /> <br />Finalement, le mémoire se termine par un sujet qui devrait être présent dans tous les manuels classiques d'hydrodynamique mais qui ne l'est pas. Nous parlons des écoulements viscopotentiels. Nous proposons une nouvelle approche simplifiée pour les écoulements faiblement visqueux. Nous conservons la simplicité des écoulements potentiels tout en ajoutant la dissipation. Dans le cas de la profondeur finie nous incluons un terme correcteur dû à la présence de la couche limite au fond. Cette correction s'avère être non locale en temps. Donc, la couche limite au fond apporte un certain effet de mémoire à l'écoulement.

Dans cette thèse, on s'intéresse à deux problèmes provenant de l'étude mathématique des fluides incompressibles visqueux : la propagation de la régularité tangentielle et le mouvement d'une surface libre.La première question concerne plus particulièrement l'étude qualitative de l'évolution de quantités thermodynamiques telles que la température dans l'équation de Boussinesq sans diffusion et la densité dans le système de Navier-Stokes non homogène. Typiquement, on suppose que ces deux quantités sont, à l'instant initial, discontinues le long d'une interface à régularité h"oldérienne. Comme conséquence de résultats de propagation de régularité tangentielle pour le champ de vitesses, on établit que la régularité des interfaces persiste pour tout temps aussi bien en dimension deux d'espace, qu'en dimension supérieure (avec condition de petitesse). Notre approche suit celle du travail de J.-Y. Chemin dans les années 90 pour le problème des poches de tourbillon dans les fluides incompressiblesparfaits.Dans le cas présent, outre cette hypothèse de régularité tangentielle, nous n'avons besoin que d'une régularité critique sur le champ de vitesses.La démonstration repose sur le calcul para-différentiel et les espaces de multiplicateurs.Dans la dernière partie de la thèse, on considère le problème à frontière libre pour le système de Navier-Stokes incompressible à deux phases. Ce système permet de décrire l'évolution d'un mélange de deux fluides non miscibles tels que l'huile et l'eau par exemple. Différents cas de figure sont étudiés : le cas d'un réservoir borné, d'une goutte ou d'une rivière à profondeur finie.On établit l'existence et l'unicité à temps petit pour ce problème. Notre démonstration repose fortement sur des propriétés de régularité maximale parabolique de type $L_p$-$L_q / This thesis is dedicated to two different problems in the mathematical study of the viscous incompressible fluids: the persistence of tangential regularity and the motion of a free surface.The first problem concerns the study of the qualitative properties of some thermodynamical quantities in incompressible fluid models, such as the temperature for Boussinesq system with no diffusion and the density for the non-homogeneous Navier-Stokes system. Typically, we assume those two quantities to be initially piecewise constant along an interface with H"older regularity.As a consequence of stability of certain directional smoothness of the velocity field, we establish that the regularity of the interfaces persist globally with respect to time both in the two dimensional and higher dimensional cases (under some smallness condition). Our strategy is borrowed from the pioneering works by J.-Y.Chemin in 1990s on the vortex patch problem for ideal fluids.Let us emphasize that, apart from the directional regularity, we only impose rough (critical) regularity on the velocity field. The proof requires tools from para-differential calculus and multiplier space theory.In the last part of this thesis, we are concerned with the free boundary value problem for two-phase density-dependent Navier-Stokes system.This model is used to describe the motion of two immiscible liquids, like the oil and the water. Such mixture may occur in different situations, such as in a fixed bounded container, in a moving bounded droplet or in a river with finite depth. We establish the short time well-posedness for this problem. Our result strongly relies on the $L_p$-$L_q$ maximal regularity theoryfor parabolic equations