Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à des écoulements complexes où les régimes hydrodynamique et raréfiés coexistent. On retrouve ce type d'écoulements dans des applications industrielles comme les pompes à vide ou encore les rentrées de capsules spatiales dans l'atmosphère, lorsque la distance entre les molécules de gaz devient si grande que le comportement microscopique des molécules doit être pris en compte. Pour ce faire, nous étudions 2 modèles de l'équation de Boltzmann, le modèle BGK et le modèle ES-BGK. Dans un premier temps, nous développons une nouvelle condition au bord permettant une transition continue de la solution du régime raréfié vers le régime hydrodynamique. Cette nouvelle condition permettant de préserver l'asymptotique vers les équations d'Euler compressible est ensuite incluse dans une méthode de frontière immergée pour traiter, à une précision raisonnable (ordre 2), le cas de solides immergés dans un écoulement, sur grilles cartésiennes. L'utilisation de grillescartésiennes permet une parallélisation aisée du code de simulation numérique afin d'obtenir une réduction considérable du temps de calcul, un des principaux inconvénients des modèles cinétiques. Par la suite, une approche dites aux grilles locales en vitesses est présentée réduisant également le temps de calcul de manière importante (jusqu'à 80%). Des simulations 3D sont également présentées montrant l'efficacité des méthodes. Enfin, le transport passive de particules solides dans un écoulement raréfié est étudié avec l'introduction d'un modèle de type Vlasov couplé au modèle cinétique. Grâce à une résolution basée sur des méthodes de remaillage, la pollution de dispositif optiques embarqués sur des satellites dues à des particules issues de la combustion incomplète dans les moteurs contrôlant d'altitude est étudiée. / This work is devoted to the study of complex flows where hydrodynamic and rarefled regimes coexist. This kind of flows are found in vacuum pumps or hypersonic re-entries of space vehicles where the distance between gas molecules is so large that their microscopicbehaviour differ from the average behaviour of the flow and has be taken into account. We then consider two modelsof the Boltzmann equation viable for such flows: the BGK model dans the ES-BGK model.We first devise a new wall boundary condition ensuring a smooth transition of the solution from the rarefled regime to the hydrodynamic regime. We then describe how this boundary condition (and boundary conditions in general) can be enforced with second order accuracy on an immersed body on Cartesian grids preserving the asymptotic limit towards compressible Euler equations. We exploit the ability of Cartesian grids to massive parallel computations (HPC) to drastically reduce the computational time which is an issue for kinetic models. A new approach considering local velocity grids is then presented showing important gain on the computational time (up to 80%). 3D simulations are also presented showing the efficiency of the methods. Finally, solid particle transport in a rarefied flow is studied. The kinetic model is coupled with a Vlasov-type equation modeling the passive particle transport solved with a method based on remeshing processes. As application, we investigate the realistic test case of the pollution of optical devices carried by satellites due to incompletely burned particles coming from the altitude control thrusters

In this thesis, we address several problems arising in the study of nondegenerate and degenerate parabolic SPDEs, stochastic hyper- bolic conservation laws and SDEs with continues coefficients. In the first part, we are interested in degenerate parabolic SPDEs, adapt the notion of kinetic formulation and kinetic solution and establish existence, uniqueness as well as continuous dependence on initial data. As a preliminary result we obtain regularity of solutions in the nondegenerate case under the hypothesis that all the coefficients are sufficiently smooth and have bounded derivatives. In the second part, we consider hyperbolic conservation laws with stochas- tic forcing and study their approximations in the sense of Bhatnagar-Gross- Krook. In particular, we describe the conservation laws as a hydrodynamic limit of the stochastic BGK model as the microscopic scale vanishes. In the last part, we provide a new and fairly elementary proof of Skorkohod's classical theorem on existence of weak solutions to SDEs with continuous coefficients satisfying a suitable Lyapunov condition. 1

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le domaine des équations aux dérivées partielles et sont liés à la problématique des changements d'échelle dans le contexte de la cinétique des gaz. En effet, sachant qu'il existe plusieurs niveaux de description pour un gaz, on cherche à relier les différentes échelles associées dans un cadre où une part d'aléa intervient. Dans une première partie, on établit la dérivation rigoureuse de l'équation de Boltzmann linéaire sans cut-off en partant d'un système de particules interagissant via un potentiel à portée infinie en partant d'un équilibre perturbé.La deuxième partie traite du passage d'un modèle BGK stochastique avec champ fort à une loi de conservation scalaire avec forçage stochastique. D'abord, on établit l'existence d'une solution au modèle BGK considéré. Sous une hypothèse additionnelle, on prouve alors la convergence vers une formulation cinétique associée à la loi de conservation avec forçage stochastique.Au cours de la troisième partie, on quantifie dans le cas à vitesses discrètes le défaut de régularité dans les lemmes de moyenne et on établit un lemme de moyenne stochastique dans ce même cas. On applique alors le résultat au cadre de l'approximation de Rosseland pour établir la limite diffusive associée à ce modèle.Enfin, on s'intéresse à l'étude numérique du modèle de Uchiyama de particules carrées à quatre vitesses en dimension deux. Après avoir adapté les méthodes de simulation développées dans le cas des sphères dures, on effectue une étude statistique des limites à différentes échelles de ce modèle. On rejette alors l'hypothèse d'un mouvement Brownien fractionnaire comme limite diffusive / The work of this thesis belongs to the field of partial differential equations and is linked to the problematic of scale changes in the context of kinetic of gas. Indeed, knowing that there exists different scales of description for a gas, we want to link these different associated scales in a context where some randomness acts, in initial data and/or distributed on all the time interval. In a first part, we establish the rigorous derivation of the linear Boltzmann equation without cut-off starting from a particle system interacting via a potential of infinite range starting from a perturbed equilibrium. The second part deals with the passage from a stochastic BGK model with high-field scaling to a scalar conservation law with stochastic forcing. First, we establish the existence of a solution to the considered BGK model. Under an additional assumption, we prove then the convergence to a kinetic formulation associated to the conservation law with stochastic forcing. In the third part, first we quantify in the case of discrete velocities the defect of regularity in the averaging lemmas. Then, we establish a stochastic averaging lemma in that same case. We apply then the result to the context of Rosseland approximation to establish the diffusive limit associated to this model.Finally, we are interested into the numerical study of Uchiyama's model of square particles with four velocities in dimension two. After adapting the methods of simulation which were developed in the case of hard spheres, we carry out a statistical study of the limits at different scales of this model. We reject the hypothesis of a fractional Brownian motion as diffusive limit