Ingeniero Civil Matemático / Este trabajo de memoria de título presenta un estudio de la ecuación de perturbación singular de Allen-Cahn con inhomogeneidad: \begin{equation}\ep^2\div\left(a(x)\cdot\nabla_{x}u(x)\right)+a(x)f(u(x))=0,\quad\text{ en }\quad\R^2 \label{AllenCahnEq}\end{equation} donde $\varepsilon>0$ es un parámetro pequeño, $a(x)$ es un potencial uniformemente positivo y suave, que induce una forma de medir distancias para puntos en $\R^2$, y $f$ es la nolinealidad dada por $f(u)=u-u^3$. El estudio aborda la construcción de soluciones enteras de~\eqref{AllenCahnEq}, bajo la condición que $u$ se anule cerca de una curva $\Gamma\subset \R^2$. El enfoque propuesto asume que $\Gamma$ es una curva no acotada, geodésica no-degenerada relativa al funcional de longitud de arco $\int_{\Gamma}a(\vec{x})$, con curvatura $k_{\Gamma}$ suave que decae a una tasa polinomial. Es de interés el estudio de la ecuación de Allen-Cahn con presencia de un término de inhomogeneidad $a(x)\not\equiv 1$, ya que esto conlleva el estudio de curvas geodésicas para una métrica no trivial de $\R^2$. Además, es relevante considerar que el conjunto nodal de $u$ yace cerca de una curva no acotada, pues esto se refleja en el estudio de ecuaciones diferenciales en contextos no compactos. El resultado principal asegura la existencia de una solución de~\eqref{AllenCahnEq}, la cual converge exponencialmente a $\pm 1$ cuando $x$ se aleja de $\Gamma$. Un segundo resultado entrega ejemplos de potenciales $a(x)$ y curvas $\Gamma$, para los cuales es posible construir una solución $u$ con el comportamiento antes descrito. La demostración de este resultado está basada en una técnica conocida como reducción infinito dimensional de Lyapunov-Schmidt, la cual motiva a la elección de un candidato a solución del tipo $u = w + \phi$, donde $w$ en coordenadas adecuadas resuelve $w''+f(w)=0$, y determina el perfil de $u$ a orden principal. Además $\phi$ es una función de corrección, con el fin de convertir a $u$ en solución exacta de~\eqref{AllenCahnEq}, lo que obliga a $\phi$ a resolver una ecuación diferencial no lineal. De ahí en más, el problema consiste en estudiar la existencia y unicidad de la última ecuación en un espacio funcional adecuado. Esto se realizó analizando el operador linealizado asociado a la ecuación de Allen-Cahn, y luego el problema no-lineal que es resuelto mediante un esquema de punto fijo. Para el ultimo análisis, fue necesario ajustar $\Gamma$ en un parámetro de perturbación $h$, lo que equivale a una EDO no lineal en $h$ donde participa la segunda variación del funcional de largo $l_{a,\Gamma}$ asociado a $\int_{\Gamma}a(\vec{x})$. Finalmente, el método utilizado no sólo provee la existencia de una solución $u$ de~\eqref{AllenCahnEq}, sino que además entrega una caracterizacón completa de ésta, tanto en tamaño como en comportamiento cualitativo en coordenadas relacionadas a la curva $\Gamma$.

Este trabalho apresenta um método numérico rigoroso para encontrar soluções de equilíbrio para equações diferenciais parciais usando base de Chebyshev. Aplicações do método são apresentadas para a equação de Alen-Cahn e Swift-Hohenberg. / This work presents a rigorous numerical method to find equilibrium solutions to partial differential equations using Chebyshev basis. Applications are presented to the Alen-Cahn and Swift-Hohenberg equations.

Este trabalho apresenta um método numérico rigoroso para encontrar soluções de equilíbrio para equações diferenciais parciais usando base de Chebyshev. Aplicações do método são apresentadas para a equação de Alen-Cahn e Swift-Hohenberg. / This work presents a rigorous numerical method to find equilibrium solutions to partial differential equations using Chebyshev basis. Applications are presented to the Alen-Cahn and Swift-Hohenberg equations.

This report describes the development of a software for computing viscous incompressiblemultiphase ows. The software does this with solving the coupled non-linear Navier-Stokes(Fluid) and the Cahn-Hilliard (Phase-Field) equations using a Finite Element Method. Thereason for the development is to produce a simulation tool, which eventually is capable ofsimulating the ow of uids inside the OptusAir aeronator manufactured by the Sorubincompany. The solving software developed is built on the ParMetis, PETSc and OpenMPIframeworks. Our primary benchmark has been a geometry resembling the OptusAir product,a cylinder with a rotating bottom. We have made comparisons between simulation resultsand the theory of a free surface in a uniform rotating ow.This thesis shows that the shape of the interface between two uids coincides with theoryto some extent, while the approximate boundary conditions prevent it from coinciding fully.

Cette thèse est une étude théorique d’un système d’équations de Cahn-Hilliard/Allen-Cahn couplées qui représente un mélange binaire en séparation de phase. Le but principal de l’étude est le comportement asymptotique des solutions en termes d’attracteurs exponentiels/globaux. Pour cette raison, l’existence et l’unicité de la solution sont étudiées tout d’abord. Une des principales applications de ce modèle d’équations est la cristallographie.Dans la première partie de la thèse, on examine le modèle proposé avec des conditions de type Dirichlet sur le bord et une non linéarité régulière de type polynomial : on réussit à trouver un attracteur exponentiel et par conséquence un attracteur global de dimension finie. Une non linéarité singulière de type logarithmique est ensuite prise dans la deuxième partie, cette fonction étant approchée par une suite de fonctions régulières et l’existence d’un attracteur global est démontrée sous des conditions au bord de type Dirichlet.Enfin, dans la dernière partie, le système est couplé avec une équation pour la température: suivant la loi de Fourrier premièrement, puis la loi de type III de la thermo-élasticité. Dans les deux cas, la dynamique de l’équation est étudiée et un attracteur exponentiel est trouvé malgré la difficulté créée par l’équation hyperbolique dans le deuxième cas. / This thesis is a theoretical study of a coupled system of equations of Cahn-Hilliard and Allen-Cahn that represents phase separation of binary alloys. The main goal of this study is to investigate the asymptotic behavior of the solution in terms of exponential/global attractors. For this reason, the existence and unicity of the solution are first studied. One of the most important applications of this proposed model of equations is crystallography. In the first part of the thesis, the system is studied with boundary conditions of Dirichlet type and a regular nonlinearity (a polynomial). There, we prove the existence of an exponential attractor that leads to the existence of a global attractor of finite dimension. Then, a singular nonlinearity (a logarithmic potential) is considered in the second part. This function is approximated by a sequence of regular ones and a global attractor is found.At the end, the system of equations is coupled with temperature: with the Fourrier law in the first case, then with the type III law (in the context of thermoelasticity) in the second case. The dynamics of the equations are studied and the existence of an exponential attractor is obtained.

Cette thèse porte sur le développement, l'analyse et la mise en oeuvre de nouvelles méthodes bi-grilles en éléments finis pour des équations de réaction-diffusion de type champs de phase (Allen-Cahn, Cahn-Hilliard) ainsi que leur couplage avec les équations de Navier-Stokes 2D incompressible. La présence d'un petit paramètre (largeur de l'interface) dans les modèles à interface diffuse demande à utiliser des schémas temporels implicites et coûteux tandis que ceux semi implicites sont rapides mais limités en stabilité. Les nouveaux schémas introduits ici reposent sur l'utilisation conjointe de deux espaces d'éléments finis, un grossier VH et un fin Vh, de plus grande dimension, permettant de décomposer la solution en partie principale portant les composantes bas modeset en une partie fluctuante portant les modes élevés. L'approche bi-grilles proposée consiste à appliquer les schémas stables (coûteux) sur VH (prédiction) et à effectuer une correction sur Vh à l'aide d'un schéma linéaire dont les composantes modes élevés sont stabilisées. Un gain important en temps CPU est obtenu au prix d'une faible perte de consistance. Dans ce contexte, de nouvelles méthodes numériques sont proposées pour les modèles de champs de phase et leur couplage fluide. Nous donnons des résultats de stabilité et validons l'approche sur des bancs d'essais / This thesis deals with the development, the analysis and the implementation of new bi-grid schemes in finite elements, when applied to phase-field models such as Allen-Cahn (AC) and Cahn-Hilliard (CH) equations but also their coupling with 2D incompressible Navier-Stokes equations. Due to the presence of a small parameter, namely the length of the diffuse interface, and in order to recover the intrinsic properties of the solution, (costly) implicit time schemes must be used; semi-implicit time schemes are fast but suffer from a hard time step limitation. The new schemes introduced in the present work are based on the use of two FEM spaces, one coarse VH and one fine Vh, of larger dimension. This allows to decompose the solution into a main part (containing only low mode components) and a fluctuant part capturing the high mode ones. The bi-grid approach consists then in applying as a prediction an unconditional stable scheme (costly) to VH and to update the solution in Vh by using a high mode stabilized linear scheme. A gain in CPU time is obtained while the consistency is not deteriorated. This approach is extended to NSE and to coupled models (AC/NSE) and (CH/NSE). Stability results are given, the numerical simulations are validated on reference benchmarks

Cette thèse se situe dans le cadre de l'analyse théorique et numérique de modèles en séparation de phase qui tiennent compte d'effets d'anisotropie. Ceci est pertinent, par exemple, pour l'évolution de cristaux dans leur matrice liquide pour lesquels ces effets d'anisotropie sont très forts. On étudie l'existence, l'unicité et la régularité de la solution des équations de Cahn-Hilliard et d'Allen-Cahn ainsi que son comportement asymptotique en terme d'existence d'un attracteur global de dimension fractale finie. La première partie de la thèse concerne certains modèles de séparation de phase qui, en particulier, décrivent la formation de motifs dendritiques. D'abord, on étudie les équations de Cahn-Hilliard et d'Allen-Cahn qui prennent en compte les effets d'anisotropie forts en dimension un avec des conditions de type Neumann sur le bord et une non linéarité régulière de type polynomial. En particulier, ces modèles contiennent un terme supplémentaire appelé régularisation de Willmore. Ensuite, on étudie ces modèles avec des conditions de type périodique (respectivement, Dirichlet) sur le bord pour l'équation de Cahn-Hilliard (respectivement, d'Allen-Cahn) mais en dimension spatiales plus élevées. Finalement, on étudie la dynamique des équations de Cahn-Hilliard et d'Allen-Cahn visqueux avec des conditions de type Neumann et Dirichlet respectivement sur le bord et une non linéarité régulière et en plus, la présence de simulations numériques qui montrent les effets du terme de viscosité sur l'anisotropie et l'isotropie dans l'équation de Cahn-Hilliard. Dans le dernier chapitre, on étudie le comportement en temps long en termes d'attracteurs de dimension finie, d'une classe d'équations doublement non linéaires de type Allen-Cahn avec des conditions de type Dirichlet sur le bord et une non linéarité singulière. / This thesis is situated in the context of the theoretical and numerical analysis of models in phase separation which take into account the anisotropic effects. This is relevant, for example, for the development of crystals in their liquid matrix for which the effects of anisotropy are very strong. We study the existence, uniqueness and the regularity of the solution of Cahn-Hilliard and Alen-Cahn equations and the asymptotic behavior in terms of the existence of a global attractor with finite fractal dimension. The first part of the thesis concerns some models in phase separation which, in particular, describe the formation of dendritic patterns. We start by study- ing the anisotropic Cahn-Hilliard and Allen-Cahn equations in one space dimension both associated with Neumann boundary conditions and a regular nonlinearity. In particular, these two models contain an additional term called Willmore regularization. Furthermore, we study these two models with Periodic (respectively, Dirichlet) boundary conditions for the Cahn-Hilliard (respectively, Allen-Cahn) equation but in higher space dimensions. Finally, we study the dynamics of the viscous Cahn-Hilliard and Allen-Cahn equations with Neumann and Dirichlet boundary conditions respectively and a regular nonlinearity in the presence of the Willmore regularization term and we also give some numerical simulations which show the effects of the viscosity term on the anisotropic and isotropic Cahn-Hilliard equations. In the last chapter, we study the long time behavior, in terms of finite dimensional attractors, of a class of doubly nonlinear Allen-Cahn equations with Dirichlet boundary conditions and singular potentials.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / Este trabajo se concentra principalmente en estudiar el método de reducción de Lyapunov-Schmidt y sus aplicaciones al estudio de existencia de soluciones a problemas semilineales elípticos. En particular, utilizamos exitosamente este método para estudiar la ecuación de Allen-Cahn \Delta u + u(1-u^2)=0, en R^N en diferentes contextos. La geometría de los conjuntos de nivel de soluciones enteras de esta ecuación, presenta una estructura variada y compleja. En particular, esta ecuación esta presente en la famosa conjetura de E. De Giorgi, la cual afirma que si la dimensión del espacio es tal que 2\leq N\leq 8, las soluciones acotadas de esta ecuación que son monótonas en una dirección, tienen por conjuntos nivel a una familia de hiperplanos paralelos entre si, es decir, la solución depende solo de una variable. Gran progreso se ha alcanzado en la demostración de esta conjetura durante las \'ultimas décadas. La monotonía de las soluciones esta relacionada con sus propiedades de estabilidad. En el programa de entender el conjunto de soluciones enteras de esta ecuación, es interesante estudiar soluciones que tienes índice de Morse finito, de las cuales para nuestro conocimiento, pocos ejemplos se conocen hasta ahora. En la primera parte de esta investigación, utilizamos el método de reducción, en esencia no variacional, para construir una familia de soluciones acotadas axialmente simétricas a la ecuación de Allen-Cahn en R3, con la propiedad de tener múltiples transiciones sobre una dilatación grande de una catenoide. De nuestro desarrollo, se evidencia contundentemente que estas soluciones tienen indice de Morse grande a medida que la catenoide se vuelve más y más dilatada. Motivados por este descubrimiento y utilizando el mismo método, continuamos este trabajo construyendo una nueva familia de soluciones axialmente simétricas a la ecuación de Allen-Cahn en R3, cuyo conjunto nodal consiste en dos componentes conexas que provienen del grafo y su reflexión respecto al eje z, de una solución suave y radialmente simétrica de la ecuación de Liouville en R2. De igual forma, encontramos fuerte evidencia para afirmar que el índice de Morse de esta familia de soluciones es finito. Luego, presentamos el estudio de la ecuación no homogénea de Allen-Cahn en R2, en la cual presentamos otra aplicación del método reducción construyendo, bajo ciertas condiciones geométricas, una familia de soluciones cuyos conjuntos nodales, fuera de una bola grande de R2, tienen dos componentes conexas que son asintóticamente semirrectas no paralelas entre si. Finalmente, y en contraste, consideramos el contexto variacional presentando resultados de existencia de múltiples soluciones para un sistema elíptico de ecuaciones con un acoplamiento simétrico. La aplicación del método de reducción variacional, permite luego aplicar de forma clásica el teorema de paso de montaña simétrico. La importancia del método de reducción, en este caso, radica en que las propiedades de simetría del sistema de ecuaciones, las cuales provienen de la forma del sistema, en lugar de las no linealidades, son heredadas por ecuación reducida.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / En esta tesis doctoral se construyen soluciones rotacionalmente simétricas de la ecuación de Cahn-Hilliard en $ \R{^d} $ y se estudian sus propiedades de estabilidad. En el Capítulo \ref{ch1} se presenta la ecuación de Cahn-Hilliard y se explica su origen e interpretación física. Además se repasan varios resultados conocidos, se presenta la notación y se exponen los dos resultados más importantes de esta tesis: el primero establece la existencia de soluciones rotacionalmente simétricas cuyos conjuntos de nivel se aproximan a los unduloides de Delaunay. El segundo resultado afirma que las propiedades de estabilidad de los unduloides de Delanay heredan propiedades de estabilidad de las soluciones encontradas, en el sentido que son no degeneradas y tienen 6 campos de Jacobi con crecimiento moderado. En el Capítulo \ref{prel} se presentan en detalle los principales ingredientes que se necesitan para probar los Teoremas \ref{teo 1} y \ref{teo 2}, a saber las coordenadas de Fermi cerca de una superficie de curvatura media constante, los unduloides de Delaunay y su operador de Jacobi. También se muestra la primera aproximación de la solución anunciada en el Teorema \ref{teo 1}. En el Capítulo \ref{chap proof teo 1} se demuestra el Teorema \ref{teo 1}. Usamos una versión refinada del método de reducción del Lyapunov-Schmidt que simplifica varios aspectos técnicos de construcciones de problemas similares. Los resultados de este capítulo fueron obtenidos en colaboración con mi Profesor Guía, Dr. Micha\l\ Kowalczyk y fueron publicados en la revista \emph{Discrete and Continous Dynamical Systems} bajo el título \emph{Rotationally Symmetric Solutions to the Cahn-Hillard Equation}. Una demostración del Teorema \ref{teo 2} se da el Capítulo \ref{chap proof teo 2}. La clave es relacionar el núcleo del operador linearizado alrededor de nuestra solución con los campos de Jacobi que provienen de invariancias geométricas. Esta relación se puede realizar debido a que es posible separar las variables una vez que se ha aplicado la transformada de Laplace-Fourier. Los resultados de este capítulo también fueron obtenidos con mi profesor Guía y han sido aceptados para su publicación en la revista \emph{Indiana University Mathematics Journal} bajo el título \emph{Nondegeneracy and the Jacobi Fields of Rotationally Symmetric Solutions to the Cahn-Hillard Equation}. In this PhD thesis rotationally symmetric solutions to the Cahn-Hilliard equation are constructed. Also we study its stability properties. In Chapter \ref{ch1} we present the Cahn-Hilliard equation in $ \R^d $ and explain its origin and physical interpretation. We also review several known results, introduce some basic notation and present the two main results of this thesis. The first one states the existence of radially symmetric solutions to the Cahn-Hilliard equation which nodal sets approaches to Delaunay unduloids, and the second one claims that stability properties of the Delaunay unduloids inherit stability properties of the solutions we found in the sense that our solutions are non degenerated and have 6 Jacobi fields with temperate growth. Chapter \ref{prel} is devoted to present in detail the main ingredients we need to prove Theorem \ref{teo 1} and Theorem \ref{teo 2}, namely Fermi coordinates near a constant mean curvature (CMC), the Delaunay unduloids and its Jacobi operator. We also present the construction of the first approximation of the solutions announced in Theorem \ref{teo 1}. In Chapter \ref{chap proof teo 1} we prove Theorem \ref{teo 1}. We use a refined version of the Lyapunov-Schmidt reduction method which simplifies very technical aspects of previous constructions for similar problems. The results of this chapter were obtained in collaboration with my thesis advisor Dr. Micha\l\ Kowalczyk and published in \emph{Discrete and Continuous Dynamical Systems}. A proof of Theorem \ref{teo 2} is given in Chapter \ref{chap proof teo 2}. The key is to relate the kernel of the linearized operator about our solution with the Jacobi fields that comes from the geometric invariances. This relation can be performed since we are able to separate the variables once the Laplace-Fourier transform is applied. The results of this chapter were obtained in collaboration with my thesis advisor Dr. Micha\l\ Kowalczyk and admitted for publication in \emph{Indiana University Mathematics Journal}.

This work presents a novel method to model immiscible incompressible fluids in a stable manner. Here, the immiscible behavior of the flow is described by the incompressible Navier-Stokes-Cahn-Hilliard model, which is based on a diffuse interface method. We introduce buoyancy effects in the model through the Boussinesq approximation in a consistent manner. A structure-preserving discretization is used to guarantee the linear stability of the discrete problem and to satisfy the incompressibility of the discrete solution at every point in space by construction. For the solution of the model, we developed the Portable Extensible Toolkit for Isogeometric Analysis with Multi-Field discretizations (PetIGA-MF), a high-performance framework that supports structure-preserving spaces. PetIGA-MF is built on top of PetIGA and the Portable Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc), sharing all their user-friendly, performance, and flexibility features. Herein, we describe the implementation of our model in PetIGA-MF and the details of the numerical solution. With several numerical tests, we verify the convergence, scalability, and validity of our approach. We use highly-resolved numerical simulations to analyze the merging and rising of droplets. From these simulations, we detailed the energy exchanges in the system to evaluate quantitatively the quality of our simulations. The good agreement of our results when compared against theoretical descriptions of the merging, and the small errors found in the energy analysis, allow us to validate our approach. Additionally, we present the development of an unconditionally energy-stable generalized-alpha method for the Swift-Hohenberg model that offers control over the numerical dissipation. A pattern formation example demonstrates the energy-stability and convergence of our method.