Dans la première partie de cette thèse, nous avons considéré les équations de Maxwell en temps et construit une formulation discontinue de Galerkin (DG). On a montré que cette formulation est bien posée et ensuite on a établi des estimateurs a priori pour cette formulation. On a obtenu des résultats numériques pour valider les estimateurs a priori obtenus théoriquement. Dans la deuxième partie de cette thèse, des estimateurs d'erreur a posteriori de cette formulation sont établis, pour le cas semi-discret et pour le système complètement discrétisé. Dans la troisième partie de cette thèse, on considére les équations de Maxwell en régime harmonique. On a développé une formulation discontinue de Galerkin mixte. On a établi des estimations d'erreur a posteriori pour cette formulation. / In the first part of this thesis, we have considered the time-dependent Maxwell's equations in second-order form and constructed discontinuous Galerkin (DG) formulation. We have established a priori error estimates for this formulation and carried out the numerical analysis to confirm our theoretical results. In the second part of this thesis, we have established a posteriori error estimates of this formulation for both semi discrete and fully discrete case. In the third part of the thesis we have considered the time-harmonic Maxwell's equations and we have developed mixed discontinuous Galerkin formulation. We showed the well posedness of this formulation and have established a posteriori error estimates.

Cette thèse est consacrée à l'analyse mathématique et numérique d'un problème d'interaction fluide-structure stationnaire, couplant un fluide newtonien, visqueux et incompressible, modélisé par les équations de Stokes 2D et une structure déformable, décrite par les équations d'une poutre 1D. Le fluide et la structure sont couplés via une condition aux limites de type frottement à l'interface.Dans l'étude théorique, nous montrons un résultat d'existence et unicité de solutions faibles, dans le cadre de petits déplacements, du problème de couplage fluide structure avec une condition de glissement de type Tresca en utilisant le théorème de point fixe de Schauder.Dans l'analyse numérique, nous étudions d'abord, l'approximation du problème de Stokes avec la condition de Tresca par une méthode d'éléments finis mixtes à quatre champs. Nous montrons ensuite une estimation d'erreur a priori optimale pour des données régulières et nous réalisons des tests numériques. Enfin, nous présentons un algorithme de point fixe pour la simulation numérique du problème couplé avec des conditions aux limites non linéaires. / This PHD thesis is devoted to the theoretical and numerical analysis of a stationary fluid-structure interaction problem between an incompressible viscous Newtonian fluid, modeled by the 2D Stokes equations, and a deformable structure modeled by the 1D beam equations.The fluid and structure are coupled via a friction boundary condition at the fluid-structure interface.In the theoretical study, we prove the existence of a unique weak solution, under small displacements, of the fluid-structure interaction problem under a slip boundary condition of friction type (SBCF) by using Schauder fixed point theorem.In the numerical analysis, we first study a mixed finite element approximation of the Stokes equations under SBCF.We also prove an optimal a priori error estimate for regular data and we provide numerical examples.Finally, we present a fixed point algorithm for numerical simulation of the coupled problem under nonlinear boundary conditions.

We propose a moving-boundary scenario to model the penetration of diffusants into rubbers. Immobilizing the moving boundary by using the well-known Landau transformation transforms the original governing equations into new equations posed in a fixed domain. We solve the transformed equations by the finite element method and investigate the parameter space by exploring the eventual effects of the choice of parameters on the overall diffusants penetration process. Numerical simulation results show that the computed penetration depths of the diffusant concentration are within the range of experimental measurements. We discuss numerical estimations of the expected large-time behavior of the penetration fronts. To have trust in the obtained simulation results, we perform the numerical analysis for our setting. Initially, we study semi-discrete finite element approximations of the corresponding weak solutions. We prove both a priori and a posteriori error estimates for the mass concentration of the diffusants, and respectively, for the a priori unknown position of the moving boundary. Finally, we present a fully discrete scheme for the numerical approximation of model equations. Our scheme is based on the Galerkin finite element method for the space discretization combined with the backward Euler method for time discretization. In addition to proving the existence and uniqueness of a solution to the fully discrete problem, we also derive a priori error estimates for the mass concentration of the diffusants, and respectively, for the position of the moving boundary that fit to our implementation in Python. Our numerical illustrations verify the obtained theoretical order of convergence in physical parameter regimes.

Thin and slender structures are widely occurring both in nature and in human creations. Clever geometries of thin structures can produce strong constructions while using a minimal amount of material. Computer modeling and analysis of thin and slender structures has its own set of problems stemming from assumptions made when deriving the equations modeling their behavior from the theory of continuum mechanics. In this thesis we consider two kinds of thin elastic structures; threads and plates. Real-time simulation of threads are of interest in various types of virtual simulations such as surgery simulation for instance. In the first paper of this thesis we develop a thread model for use in interactive applications. By viewing the thread as a continuum rather than a truly one dimensional object existing in three dimensional space we derive a thread model that naturally handles both bending, torsion and inertial effects. We apply a corotational framework to simulate large deformation in real-time. On the fly adaptive resolution is used to minimize corotational artifacts. Plates are flat elastic structures only allowing deflection in the normal direction. In the second paper in this thesis we propose a family of finite elements for approximating solutions to the Kirchhoff-Love plate equation using a continuous piecewise linear deflection field. We reconstruct a discontinuous piecewise quadratic deflection field which is applied in a discontinuous Galerkin method. Given a criterion on the reconstruction operator we prove a priori estimates in energy and L2 norms. Numerical results for the method using three possible reconstructions are presented.

La modélisation et la simulation numérique des interfaces sont au coeur de nombreuses applications en mécanique des fluides et des solides, telles que la biologie cellulaire (déformation des globules rouges dans le sang), l'ingénierie pétrolière et la sismique (modélisation de réservoirs, présence de failles, propagation des ondes), l'aérospatiale (problème de rupture, de chocs) ou encore le génie civil. Cette thèse porte sur l'approximation des problèmes d'interface et d'interphase en mécanique des fluides par la méthode NXFEM, qui permet de prendre en compte de façon précise une discontinuité non alignée avec le maillage. Nous nous sommes d'abord intéressés au développement de la méthode NXFEM pour des éléments finis non-conformes pour prendre en compte une interface séparant deux milieux. Nous avons proposé deux approches pour les équations de Darcy et de Stokes. La première consiste à modifier les fonctions de base de Crouzeix-Raviart sur les cellules coupées et la deuxième consiste à rajouter des termes de stabilisation sur les arêtes coupées. Les résultats théoriques obtenus ont été ensuite validés numériquement. Par la suite, nous avons étudié la modélisation asymptotique et l'approximation numérique des problèmes d'interphase, faisant apparaître une couche mince. Nous avons considéré d'abord les équations de Darcy en présence d'une faille et, en passant à la limite dans la formulation faible, nous avons obtenu un modèle asymptotique où la faille est décrite par une interface, avec des conditions de transmission adéquates. Pour ce problème limite, nous avons développé une méthode numérique basée sur NXFEM avec éléments finis conformes, consistante et stable. Des tests numériques, incluant une comparaison avec la littérature, ont été réalisés. La modélisation asymptotique a été étendue aux équations de Stokes, pour lesquelles nous avons justifié le modèle limite obtenu. Enfin, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la membrane d'un globule rouge par un fluide non-newtonien viscoélastique de Giesekus, afin d'appréhender la rhéologie du sang. Pour un problème d'interphase composé de deux fluides newtoniens (l'extérieur et l'intérieur du globule) et d'un liquide de Giesekus (la membrane du globule), nous avons dérivé formellement le problème limite, dans lequel les équations dans la membrane sont remplacées par des conditions de transmission sur une interface. / Numerical modelling and simulation of interfaces in fluid and solid mechanics are at the heart of many applications, such as cell biology (deformation of red blood cells), petroleum engineering and seismic (reservoir modelling, presence of faults, wave propagation), aerospace and civil engineering etc. This thesis focuses on the approximation of interface and interphase problems in fluid mechanics by means of the NXFEM method, which takes into account discontinuities on non-aligned meshes.We have first focused on the development of NXFEM for nonconforming finite elements in order to take into account the interface between two media. Two approaches have been proposed, for Darcy and Stokes equations. The first approach consists in modifying the basis functions of Crouzeix-Raviart on the cut cells and the second approach consists in adding some stabilization terms on each part of a cut edge. We have studied them from a theoretical and a numerical point of view. Then we have studied the asymptotic modelling and numerical approximation of interphase problems, involving a thin layer between two media. We have first considered the Darcy equations in the presence of a highly permeable fracture. By passing to the limit in the weak formulation, we have obtained an asymptotic model where the 2D fracture is described by an interface with adequate transmission conditions. A numerical method based on NXFEM with conforming finite elements has been developed for this limit problem, and its consistency and uniform stability have been proved. Numerical tests including a comparison with the literature have been presented. The asymptotic modelling has been finally extended to Stokes equations, for which we have justified the limit problem. Finally, we have considered the mechanical behaviour of red blood cells in order to better understand blood rheology. The last part of the thesis is devoted to the modelling of the membrane of a red blood cell by a non-Newtonian viscoelastic liquid, described by the Giesekus model. For an interphase problem composed of two Newtonian fluids (the exterior and the interior of the red blood cell) and a Giesekus liquid (the membrane), we formally derived the limit problem where the equations in the membrane are replaced by transmission conditions on an interface.

This thesis is concerned with analysis and implementation of Time discontinuous Galerkin method. Important part of it is constructing of algorithm for solving nonlinear convection-diffusion equations, which combines Discontinuous Galerkin method in space (DGFEM) with Time discontinuous Galerkin method (TDG). Nonlinearity of the problem is overcome by damped Newton-like method. This approach provides easy adaptivity manipulation as well as high order approximation with respect to both space and time variables. The second part of the thesis is focused on Time discontinuous Galerkin method, applied to ordinary differential equations. It is shown that the solution of Time discontinuous Galerkin equals the solution obtained by Radau IIA implicit Runge-Kutta method in the roots of right Radau Quadrature. By virtue of this relation, error estimates of the order higher by one than the standard order can be obtained in these points. Furthermore, almost two times higher order can be achieved in the endpoints of the intervals of time discretization. Finally, the thesis deals with the phenomenon of stiffness, which may dramatically decrease the order of the applied method. The theoretical results are verified by numerical experiments. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)