A singularly perturbed convection-diffusion problem in two and three space dimensions is discretized using the streamline upwind Petrov Galerkin (SUPG) variant of the finite element method. The dominant convection frequently gives rise to solutions with layers; hence anisotropic finite elements can be applied advantageously. The main focus is on a posteriori energy norm error estimation that is robust in the perturbation parameter and with respect to the mesh anisotropy. A residual error estimator and a local problem error estimator are proposed and investigated. The analysis reveals that the upper error bound depends on the alignment of the anisotropies of the mesh and of the solution. Hence reliable error estimation is possible for suitable anisotropic meshes. The lower error bound depends on the problem data via a local mesh Peclet number. Thus efficient error estimation is achieved for small mesh Peclet numbers. Altogether, error estimation approaches for isotropic meshes are successfully extended to anisotropic elements. Several numerical experiments support the analysis.

Magister Scientiae - MSc / Many chemical and physical problems are mathematically described by partial differential equations (PDEs). These PDEs are often highly nonlinear and therefore have no closed form solutions. Thus, it is necessary to recourse to numerical approaches to determine suitable approximations to the solution of such equations. For solutions possessing sharp spatial transitions (such as boundary or interior layers), standard numerical methods have shown limitations as they fail to capture large gradients. The method of lines (MOL) is one of the numerical methods used to solve PDEs. It proceeds by the discretization of all but one dimension leading to systems of ordinary di erential equations. In the case of time-dependent PDEs, the MOL consists of discretizing the spatial derivatives only leaving the time variable continuous. The process results in a system to which a numerical method for initial value problems can be applied. In this project we consider various types of singularly perturbed time-dependent PDEs. For each type, using the MOL, the spatial dimensions will be discretized in many different ways following fitted numerical approaches. Each discretisation will be analysed for stability and convergence. Extensive experiments will be conducted to confirm the analyses.

We study the behavior of numerical stabilization schemes in the context of linear quadratic regulator (LQR) control problems for convection diffusion equations. The motivation for this effort comes from the observation that when linearization is applied to fluid flow control problems the resulting equations have the form of a convection diffusion equation. This effort is focused on the specific problem of computing the feedback functional gains that are the kernels of the feedback operators defined by solutions of operator Riccati equations. We develop a stabilization scheme based on the Galerkin Least Squares (GLS) method and compare this scheme to the standard Galerkin finite element method. We use cubic B-splines in order to keep the higher order terms that occur in GLS formulation. We conduct a careful numerical investigation into the convergence and accuracy of the functional gains computed using stabilization. We also conduct numerical studies of the role that the stabilization parameter plays in this convergence. Overall, we discovered that stabilization produces much better approximations to the functional gains on coarse meshes than the unstabilized method and that adjustments in the stabilization parameter greatly effects the accuracy and convergence rates. We discovered that the optimal stabilization parameter for simulation and steady state analysis is not necessarily optimal for solving the Riccati equation that defines the functional gains. Finally, we suggest that the stabilized GLS method might provide good initial values for iterative schemes on coarse meshes. / Ph. D.

In recent years, the discontinuous Galerkin (DG) method has been successfully applied to solving hyperbolic conservation laws. Due to its compactness, high order accuracy, and versatility, the DG method has been extensively applied to convection-diffusion problems. In this dissertation, a numerical package, texttt{PHORCE}, is introduced to solve a number of convection-diffusion problems in neutral fluids and plasmas. Unstructured grids are used in order to randomize grid errors, which is especially important for complex geometries. texttt{PHORCE} is written in texttt{C++} and fully parallelized using the texttt{MPI} library. Memory optimization has been considered in this work to achieve improved efficiency. DG algorithms for hyperbolic terms are well studied. However, an accurate and efficient diffusion solver still constitutes ongoing research, especially for a nodal representation of the discontinuous Galerkin (NDG) method. An affine reconstructed discontinuous Galerkin (aRDG) algorithm is developed in this work to solve the diffusive operator using an unstructured NDG method. Unlike other reconstructed/recovery algorithms, all computations can be performed on a reference domain, which promotes efficiency in computation and storage. In addition, to the best of the authors' knowledge, this is the first practical guideline that has been proposed for applying the reconstruction algorithm on a nodal discontinuous Galerkin method. TVB type and WENO type limiters are also studied to deal with numerical oscillations in regions with strong physical gradients in state variables. A high-order positivity-preserving limiter is also extended in this work to prevent negative densities and pressure. A new interface tracking method, mass of fluid (MOF), along with its bound limiter has been proposed in this work to compute the mass fractions of different fluids over time. Hydrodynamic models, such as Euler and Navier-Stokes equations, and plasma models, such as ideal-magnetohydrodynamics (MHD) and two-fluid plasma equations, are studied and benchmarked with various applications using this DG framework. Numerical computations of Rayleigh-Taylor instability growth with experimentally relevant parameters are performed using hydrodynamic and MHD models on planar and radially converging domains. Discussions of the suppression mechanisms of Rayleigh-Taylor instabilities due to magnetic fields, viscosity, resistivity, and thermal conductivity are also included. This work was partially supported by the US Department of Energy under grant number DE-SC0016515. The author acknowledges Advanced Research Computing at Virginia Tech for providing computational resources and technical support that have contributed to the results reported within this work. URL: http://www.arc.vt.edu / Doctor of Philosophy / High-energy density (HED) plasma science is an important area in studying astrophysical phenomena as well as laboratory phenomena such as those applicable to inertial confinement fusion (ICF). ICF plasmas undergo radial compression, with an aim of achieving fusion ignition, and are subject to a number of hydrodynamic instabilities that can significantly alter the implosion and prevent sufficient fusion reactions. An understanding of these instabilities and their mitigation mechanisms is important allow for a stable implosion in ICF experiments. This work aims to provide a high order accurate and robust numerical framework that can be used to study these instabilities through simulations. The first half of this work aims to provide a detailed description of the numerical framework, texttt{PHORCE}. texttt{PHORCE} is a high order numerical package that can be used in solving convection-diffusion problems in neutral fluids and plasmas. Outstanding challenges exist in simulating high energy density (HED) hydrodynamics, where very large gradients exist in density, temperature, and transport coefficients (such as viscosity), and numerical instabilities arise from these region if there is no intervention. These instabilities may lead to inaccurate results or cause simulations to fail, especially for high-order numerical methods. Substantial work has been done in texttt{PHORCE} to improve its robustness in dealing with numerical instabilities. This includes the implementation and design of several high-order limiters. An novel algorithm is also proposed in this work to solve the diffusion term accurately and efficiently, which further enriches the physics that texttt{PHORCE} can investigate. The second half of this work involves rigorous benchmarks and experimentally relevant simulations of hydrodynamic instabilities. Both advection and diffusion solvers are well verified through convergence studies. Hydrodynamic and plasma models implemented are also validated against results in existing literature. Rayleigh-Taylor instability growth with experimentally relevant parameters are performed on both planar and radially converging domains. Although this work is motivated by physics in HED hydrodynamics, the emphasis is placed on numerical models that are generally applicable across a wide variety of fields and disciplines.

La surveillance des rejets gazeux des installations nucléaires dans l'environnement et de contrôle des dispositifs d'épuration reposent sur des mesures régulières de concentrations des contaminants en sortie de cheminées et dans les réseaux de ventilation. La répartition de la concentration peut être hétérogène au niveau du point de mesure si la distance d'établissement du mélange est insuffisante. La question se pose sur l'évaluation du positionnement des points de piquage et sur l'erreur commise par rapport à la concentration homogène en cas de non-respect de cette distance. Cette étude définit cette longueur dite de « bon mélange » à partir d'expériences menées en laboratoire. Le banc dimensionné pour ces essais a permis de reproduire des écoulements dans des conduits longs circulaire et rectangulaire, comprenant chacun un coude. Une technique de mesure optique a été développée, calibrée puis utilisée pour mesurer la distribution de la concentration d'un traceur injecté dans l'écoulement. Les résultats expérimentaux en conduit cylindrique ont validé un modèle analytique basé sur l'équation de convection-diffusion d'un traceur, et ont permis de proposer des modèles de longueur de bon mélange et de représentativité de points de prélèvement. Dans le conduit à section rectangulaire, les mesures acquises constituent une première base de données sur l'évolution de l'homogénéisation d'un traceur, dans la perspective de simulations numériques explorant des conditions plus réalistes des mesures in situ. / Monitoring of gaseous releases from nuclear installations in the environment and air cleaning efficiency measurement are based on regular measurements of concentrations of contaminants in outlet chimneys and ventilation systems. The concentration distribution may be heterogeneous at the measuring point if the distance setting of the mixing is not sufficient. The question is about the set up of the measuring point in duct and the error compared to the homogeneous concentration in case of non-compliance with this distance. This study defines the so-called "well mixing length" from laboratory experiments. The bench designed for these tests allowed to reproduce flows in long circular and rectangular ducts, each including a bend. An optical measurement technique has been developed, calibrated and used to measure the concentration distribution of a tracer injected in the flow. The experimental results in cylindrical duct have validated an analytical model based on the convection-diffusion equation of a tracer, and allowed to propose models of good mixing length and representativeness of sampling points. In rectangular duct, the acquired measures constitute a first database on the evolution of the homogenization of a tracer, in the perspective of numerical simulations exploring more realistic conditions for measurements in situ.

Dans un contexte d'adaptabilité ciblée, l'erreur commise sur une quantité d'intérêt peut être représentée grâce aux erreurs globales des problèmes direct et adjoint. Cette représentation de l'erreur est majorée par la somme des indicateurs d'erreurs élémentaires. Ces derniers sont alors utilisés pour produire des raffinements de maillage optimaux. Dans ces travaux, nous proposons de représenter l’erreur du problème adjoint via un opérateur alternatif. L’avantage principal de notre approche est que lorsque l'on choisit correctement l'opérateur alternatif, la majoration correspondante de l'erreur à la quantité d'intérêt devient plus précise, pour autant l'adaptabilité issue de l'utilisation de ces nouveaux indicateurs s'en trouve améliorée. Ces représentations peuvent être employées pour concevoir des algorithmes adaptatifs en espace (h), en ordre d’approximation (p) ou les deux (hp), basés sur la norme d’énergie ou bien ciblés sur une quantité d'intérêt. Bien que la méthode puisse être appliquée à une large gamme de problèmes, nous nous concentrons tout d’abord sur des problèmes unidimensionnels (1D), comme le problème d’Helmholtz et le problème de convection-diffusion stationnaire à convection dominante. Les résultats numériques en 1D montrent que, pour les problèmes de propagation d'ondes, les avantages de notre méthode sont notoires lorsque l'on considère l'opérateur de Laplace pour la représentation de l'erreur. Plus précisément, les majorations issues de la nouvelle représentation sont plus précises que celles provenant de la méthode classique et ce si l'on considère l'énergie globale ou bien une quantité d'intérêt particulière. Le phénomène est d’autant plus notable lorsque l'erreur de dispersion (pollution) est significative. Le problème 1D de convection-diffusion stationnaire à convection dominante avec des conditions limites de Dirichlet homogènes présente une couche limite qui produit une perte de stabilité numérique. La nouvelle représentation d'erreur délivre des majorations plus précises. Lorsqu’appliquée à une p-adaptabilité ciblée, la représentation d'erreur alternative permet une capture plus efficace la couche limite, malgré les oscillations numériques parasites existantes. Devant ces résultats encourageants, nous nous penchons sur l'équation d'Helmholtz à deux et trois dimensions (2D et 3D). Nous montrons, au travers de multiples simulations numériques, que les majorations fournies par les représentations d'erreur alternatives sont plus précises que celle de la représentation classique. Lorsque l'on utilise les indicateurs d'erreur alternatifs, un processus naïf de p-adaptabilité ciblée converge, tandis que dans les mêmes conditions, la méthode classique échoue et requiert l'utilisation d'un opérateur de projection ou d'autre techniques pour récupérer la convergence. Dans ce travail, nous fournissons également des directives pour déterminer les opérateurs qui fournissent des représentations d’erreur induisant de majorations précises. Des résultats similaires sont aussi établis tant pour un problème 2D de convection-diffusion stationnaire à convection dominante que pour des problèmes 2D ayant des coefficients de matériaux discontinus. Nous considérons un problème de diagraphie ultra-sonique en cours de forage pour illustrer l'applicabilité de la méthode proposée. / In Goal-Oriented Adaptivity (GOA), the error in a Quantity of Interest (QoI) is represented using global error functions of the direct and adjoint problems. This error representation is subsequently bounded above by element-wise error indicators that are used to drive optimal refinements. In this work, we propose to replace, in the error representation, the adjoint problem by an alternative operator. The main advantage of the proposed approach is that, when judiciously selecting such alternative operator, the corresponding upper bound of the error representation becomes sharper, leading to a more efficient GOA. These representations can be employed to design novel h, p, and hp energy-norm and goal-oriented adaptive algorithms. While the method can be applied to a variety of problems, in this Dissertation we first focus on one-dimensional (1D) problems, including Helmholtz and steady state convection-dominated diffusion problems. Numerical results in 1D show that for the Helmholtz problem, it is advantageous to select the Laplace operator for the alternative error representation. Specifically, the upper bounds of the new error representation are sharper than the classical ones used in both energy-norm and goal-oriented adaptive methods, especially when the dispersion (pollution) error is significant. The 1D steady state convection-dominated diffusion problem with homogeneous Dirichlet boundary conditions exhibits a boundary layer that produces a loss of numerical stability. The new error representation based on the Laplace operator delivers sharper error upper bounds. When applied to a p-GOA, the alternative error representation captures earlier the boundary layer, despite the existing spurious numerical oscillations. We then focus on the two- and three-dimensional (2D and 3D) Helmholtz equation. We show via extensive numerical experimentation that the upper bounds provided by the alternative error representations are sharper than the classical ones. When using the alternative error indicators, a naive p-adaptive process converges, whereas under the same conditions, the classical method fails and requires the use of the so-called Projection Based Interpolation (PBI) operator or some other technique to regain convergence. We also provide guidelines for finding operators delivering sharp error representation upper bounds. / En un contexto de adaptatividad orientada a un objetivo, el error en una cantidad de interés está representado a través de los errores globales de los problemas directo y adjunto. Esta representación del error se acota superiormente por una suma de indicadores de error de cada elemento. Estos se utilizan para producir refinamientos óptimos. En este trabajo, proponemos representar el error del problema adjunto utilizando un operador alternativo. La principal ventaja de nuestro enfoque es que cuando se elige correctamente dicho operador alternativo, la correspondiente cota superior se vuelve más cercana al error en la cantidad de interés, lo que permite una adaptatividad más eficiente. Estas representaciones pueden ser utilizadas para diseñar algoritmos adaptativos en h, p o hp, basados en la norma de la energía o para aproximar una cantidad de interés específica. Aunque el método propuesto se puede aplicar a una amplia gama de problemas, en esta tesis doctoral nos centramos primero en problemas unidimensionales (1D), tales como el problema de Helmholtz y el problema estacionario de convección-difusión con convección dominante. Los resultados numéricos en 1D muestran que, para los problemas de propagación de ondas, las ventajas de este método son notorias cuando se considera el operador de Laplace para la representación del error. Específicamente, las cotas superiores derivadas de la nueva representación son más cercanas a la cantidad de interés que las del método convencional. Esto es cierto tanto para la norma de la energía global como para una cantidad de interés particular, especialmente cuando el error de dispersión es significativo. El problema estacionario 1D de convección-difusión con convección dominante y con condiciones de Dirichlet homogéneas tiene una capa límite que produce una pérdida de estabilidad numérica. La nueva representación del error proporciona cotas superiores más cercanas a la cantidad de interés. Cuando se aplica a un algoritmo adaptativo en p orientado a un objetivo, la representación alternativa del error captura antes la capa límite, a pesar de las existentes oscilaciones numéricas no físicas. En esta tesis doctoral, también nos centramos en la ecuación de Helmholtz en dos y tres dimensiones (2D y 3D). Mostramos a través de múltiples experimentos numéricos que las cotas superiores proporcionadas por las representaciones alternativas del error son más cercanas a la cantidad de interés que cuando uno considera la representación clásica. Al utilizar los indicadores alternativos del error, un algoritmo adaptativo en p sencillo converge, mientras que en las mismas condiciones, el método convencional falla y requiere el uso de operadores de proyección o de otras técnicas para recuperar la convergencia. En este trabajo, también determinamos operadores que proporcionan representaciones del error que inducen cotas superiores más ajustadas. Establecemos resultados similares tanto para el problema estacionario de convección-difusión con convección dominante en 2D como para problemas 2D con materiales discontinuos. Finalmente, se considera un problema sónico en pozos petrolíferos para ilustrar la aplicabilidad del método propuesto.

Dans cette thèse nous étudions l'influence de l'environnement sur le comportement d'une cellule dans deux situations différentes. Dans chacune de ces deux situations, apparaît un couplage non-linéaire sur le champ d'advection lié à un terme non-local provenant du bord du domaine. Dans une première partie, nous modélisons la polarisation cellulaire durant la conjugaison de la cellule de levure. Nous utilisons un modèle de type convection-diffusion avec un terme de convection non-linéaire et non-local. Ce modèle présente des similarités avec le modèle de Keller-Segel, la source du potentiel attractif étant sur le bord du domaine. Nous étudions le cas de la dimension un en utilisant des inégalités de Sobolev logarithmiques et HWI. En nous appuyant sur un raisonnement heuristique, nous ramenons l'étude de notre modèle en dimension deux au bord du domaine. Nous validons le modèle à l'aide des résultats expérimentaux obtenus par M. Piel en utilisant un bruit dynamique dans nos simulations numériques. Nous étudions ensuite le problème du dialogue cellulaire entre cellules de levure de sexe opposé. Dans une seconde partie, nous étudions la réaction immunitaire durant l'athérosclérose. Nous construisons puis développons un modèle structuré en âge pour décrire l'inflammation. Pour des paramètres particuliers, nous déterminons le comportement en temps long de notre système en utilisant une fonctionnelle de Lyapunov. / We investigate the influence of the environment on the behaviour of a cell in two different situations. In each of these situations, there is a non-linear coupling of the drift due to a non-local term coming from the boundary of the domain.The first part focuses on the modeling of cell polarisation during the mating of yeast. We use a convection-diffusion model with a non-linear and non-local drift. This model is similar to the Keller-Segel model, the source of the attractive potential comes from the boundary of the domain. We study the long time behaviour of the one-dimensional case by using logarithmic Sobolev and HWI inequalities.By relying on a heuristic, we reduce the study of our model in the two-dimensional case to the boundary of the domain. We validate the model with data provided by M. Piel. This validation requires adding a dynamical noise in our numerical simulations. We study then the cell discussion between yeast of opposite gender. In the second part we study the immune response in atherosclerosis. We build and then develop an age structured model in order to describe the inflammation. For specific parameters, we investigate the long time behaviour of our system by using a Lyapunov functional.

In this work, we deal with the finite element method Streamline Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG) and use it to solve boundary value problem for the stationary convection-diffusion equation with dominant convection with Dirichlet boundary condition on the whole boundary of bounded polyhedral computational domain of dimension 1 and 2, respectively. We consider a quadratic Lagrangian finite elements on the line segments and triangles, respectively. The core of the work is a proposition of choice of stabilizing parameter of SUPG method as an elementwise affine function in outflow boundary layer and as an elementwise constant function in the rest of the computational domain. We show that this choice gives a more accurate solution than the choice of the stabilization parameter as a constant in each element. 1

La gestion des ressources marines est l'un des enjeux majeurs du XXIe siècle. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude du comportement migratoire des civelles (larves d'anguilles) dans l'estuaire de l'Adour. Le modèle, qui est constitué d'une équation aux dérivées partielles dégénérée de convection diffusion en 2D, prend en compte l'influence de la marée dynamique (système d'équations non linéaires dégénérées de Saint-Venant) et l'intensité lumineuse dans la colonne d'eau. Dans un premier temps, en appliquant la théorie du degré topologique nous avons montré l'existence de solutions stationnaires du modèle hydrodynamique. Par la suite, en injectant ces solutions dans notre modèle migratoire, nous avons établi l'existence de solutions en employant la théorie des semi-groupes, la méthode des caractéristiques et le théorème de J.-L. Lions. La positivité et des estimations a priori des densités biologiques avaient été fournies auparavant. Dans un second temps, nous présentons notre approche numérique. A l'aide des directions alternées et des pas fractionnaires dans un domaine réel de 30 km de long et de hauteur d'eau variable (bathymétrie réelle et influence de la marée) les résultats obtenus reproduisent bien qualitativement ce qui était attendu.

On considère l'équation de convection-diffusion-réaction instationnaire. On s'intéresse à la dérivation d'estimations d'erreur a posteriori pour la discrétisation de cette équation par la méthode des volumes finis centrés par mailles en espace et un schéma d'Euler implicite en temps. Les estimations, qui sont établies dans la norme d'énergie, bornent l'erreur entre la solution exacte et une solution post-traitée à l'aide de reconstructions H(div, Ω)-conformes du flux diffusif et du flux convectif, et d'une reconstruction H_0^1(Ω)-conforme du potentiel. On propose un algorithme adaptatif qui permet d'atteindre une précision relative fixée par l'utilisateur en raffinant les maillages adaptativement et en équilibrant les contributions en espace et en temps de l'erreur. On présente également des essais numériques. Enfin, on dérive une estimation d'erreur a posteriori dans la norme d'énergie augmentée d'une norme duale de la dérivée en temps et de la partie antisymétrique de l'opérateur différentiel. Cette nouvelle estimation est robuste dans des régimes dominés par la convection et des bornes inférieures locales en temps et globales en espace sont également obtenues.