Dans cette thèse nous nous intéresserons aux équations aux dérivées partielles stochastiques (EDPS) d'un point de vue aussi bien théorique que numérique. Ces équations peuvent être vues comme une généralisation du concept d'équations aux dérivées partielles (EDP) déterministes, équations donnant des modèles dans de nombreux domaines tel que la physique, la biologie ou encore l'économie. L'aspect stochastique apparaît avec la volonté de prendre en compte des données que l'on ne connaît pas de façon déterministe et dont nous avons uniquement des informations statistiques. Ces données peuvent être aussi bien un coefficient de l'équation qu'un terme de force, on qualifie alors ces données de "bruits". De par leurs complexités, il est courant de ne pas avoir de solution formelle pour certaines EDPS, la résolution numérique est alors l'unique moyen d'obtenir certaines statistiques de la solution inconnues formellement. La discrétisation de cette source d'information représentée par les termes de bruit pose le problème de leur troncature. L'information contenue dans ces termes de bruits est infini, ainsi tout comme il est impossible de représenter numériquement, sauf cas particulier, de façon exacte une fonction sur l'intervalle $[0,1]$, il est impossible de stocker de façon exacte ces termes de bruits, se pose alors la question du traitement numérique de ces termes de bruits. Une des méthodes consiste à simuler le bruit afin d'obtenir une famille de trajectoires du bruit et résoudre pour chacune de ces trajectoires l'équation associée afin de pouvoir faire des statistiques sur l'ensemble des solutions obtenues, cette méthode correspond à la méthode de Monte-Carlo. Elle offre l'avantage d'être relativement simple à mettre en œuvre mais se pose alors des problèmes de lenteur de convergence dûs au coût unitaire des intégrations numériques de chaque trajectoire qui dépendent en général de la méthode déterministe utilisée, de la dimension du problème et de la variance des moments que l'on souhaite estimer. Une deuxième philosophie est la décomposition du bruit sur une base polynomiale adaptée à une mesure de référence (ici la mesure de Wiener). C'est la méthode principalement étudiée dans cette thèse. Nous décrirons comment à l'aide d'une décomposition dite en chaos il est possible d'obtenir des statistiques de solutions d'EDPS, mais également comment on peut se servir d'une telle décomposition afin de réduire la variance dans une méthode de Monte Carlo / In this thesis, we will be interested by the numerical approximation of SPDEs. Such equations can be seen as generalization of deterministic PDEs whose coefficients have been perturbed in order to take into account incertainties. Usually those incertainties are only known through their statistical properties. This kind of data could be included into the coefficients of the PDE or can be modelized through an infinite dimensional diffusion term in the second member. The main purpose of the numerical investigations concerning SPDEs is the estimation of the joint probability distribution of its solution, and practically the estimation of some moments or some event's probabilities. The discretization of the noise's information in the small scales implies a large number of additionnal parameters and yields, in general, problems. The first and most popular method used usually is the Monte Carlo method. It relies upon the simulation of a large number of trajectories of the noise followed by the numerical integration of the associated SPDE's solution. Its main advantage is its simplicity and its capacity to be parallelized. Nevertheless, its main drawback is the rather slow convergence due to the unit cost of numerical integration of each trajectory which depend on the deterministic method used, the problem's dimension. Also the convergence can be slowed down because of the large variance of the statistical moments we want to estimate. A second approach consists in the chaos expansion of the coefficients based on a reference measure (Wiener's mesure e.g.). It will be the main purpose of this thesis. We will describe how such an expansion can be made possible in the SPDEs' framework, through the examples of the KdV and Burgers stochastic equations, in order to obtain statistical moments of the solutions but also in order to reduce wariance within a Monte Carlo method

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Esta tese trata do controle nulo local de um problema de fronteira-livre para a equaÃÃo do calor semilinear 1D com controles distribuÃdos (apoiado localmente no espaÃo) ou controles de fronteira (atuando em x = 0). provamos que, se o tempo final T à fixado e o estado inicial à suficientemente pequeno, existe controles que dirigem o estado exatamente para descansar no tempo t = T. AlÃm disso, analisamos a controlabilidade nulo de um sistema nÃo-linear 1D que modela a interaÃÃo de um fluido e sua fronteira. O fluido à governado pela equaÃÃo de Burgers viscosa e os controles distribuÃdos. Por Ãltimo, vamos lidar com o sistema de Navier-Stokes e Boussinesq 3D, definido em um cubo. Neste contexto, provamos um resultado sobre a sua controlabilidade aproximada global por meio de controles de fronteira que atuam em alguma parte da faces do cubo. / This Thesis deals with the local null control of a free-boundary problem for the 1D semilinear heat equation with distributed controls (locally supported in space) or boundary controls (acting at x = 0). we prove that, if the final time T is fixed and the initial state is sufficiently small, there exists controls that drive the state exactly to rest at time t = T. Furthermore, we analyze the null controllability of a 1D nonlinear system which models the interaction of a fluid and its boundary. The fluid is governed by the viscous Burgers equation and the distributed controls. Lastly, we deal with the 3D Navier-Stokes and Boussinesq system, posed in a cube. In this context, we prove a result concerning its global approximate controllability by means of boundary controls which act in some part of cube faces.

On étudie les propriétés de rigidité symplectique des difféomorphismes hamiltoniens en dimension finie et en dimension infinie. En dimension finie, les outils principaux qu'on utilise sont les fonctions génératrices et les capacités symplectiques. En dimension infinie on regarde les flots des équations en dérivées partielles (EDPs) hamiltoniennes et, en particulier, les flots qui peuvent être approchés uniformément par des flots hamiltoniens de dimension finie.Dans la première partie de la thèse on étudie les sélecteurs d'action définies à partir des fonctions génératrices et on construit des invariants hamiltoniens pour les sous-ensembles de $R^{2m}times T^*T^k$. Cela nous permet de démontrer un théorème non-squeezing coisotrope pour les difféomorphismes hamiltoniens à support compact de $R^{2n}$. On montre à continuation que cette propriété apparaisse dans certains cas non compacts. Finalement, on explique comment ce résultat donne aussi l'information sur le problème de rigidité symplectique en dimension intermédiaire. Encore en dimension finie, on démontre qu'on peut utiliser le théorème du chameau symplectique pour produire des sous-ensembles invariants compacts dans des surfaces d'energie.Dans la deuxième partie on étudie les propriétés de rigidité symplectique des flots des EDPs hamiltoniennes. On se place dans le contexte introduit par Kuksin et on étudie une classe particulière de EDPs semi-linéaires qui peuvent être approchées par flots hamiltoniens de dimension finie. D'abord on donne une nouvelle construction de capacité symplectique en dimension infinie à partir des capacités de Viterbo. Puis on démontre l'analogue de la rigidité intermédiaire pour certaines EDPs hamiltoniennes. Cette classe inclue l'équation d'ondes en dimension 1 avec une non-linéarité bornée, comme par exemple l'équation de Sine-Gordon. Dans la dernière partie de la thèse on s'intéresse à un analogue de la conjecture d'Arnold pour l'équation de Schrödinger périodique avec une non linéarité de convolution. / We study symplectic rigidity properties in both finite and infinite dimension. In finite dimension, the main tools that we use are generating functions and symplectic capacities. In infinite dimension we study flows of Hamiltonian partial differential equations (PDEs) and, in particular, flows which can be uniformly approximated by finite dimensional Hamiltonian diffeomorphisms.In the first part of this thesis we study the action selectors defined from generating functions and we build Hamiltonian invariants for subsets of $R^{2m}times T^*T^k$. This allows us to prove a coisotropic non-squeezing theorem for compactly supported Hamiltonian diffeomorphisms of $R^{2n}$. We then extend this result to some non-compact settings. Finally we explain how this result can give information about the middle dimensional symplectic rigidity problem. Still in finite dimensions, we show that it is possible to use the symplectic camel theorem to create energy surfaces with compact invariant subsets.In the second part of the thesis we study symplectic rigidity properties of flows of Hamiltonian PDEs. We work in the context introduced by Kuksin and study a particular class of semi-linear Hamiltonian PDEs that can be approximated by finite dimensional Hamiltonian diffeomorphisms. We first give a new construction of an infinite dimensional capacity using Viterbo's capacities. The main result of this part is the proof of the analogue of the middle dimensional rigidity for certain types of Hamiltonian PDEs. These include nonlinear string equations with bounded nonlinearity such as the Sine-Gordon equation. In the final part of this thesis we study an analogue of Arnold's conjecture for the periodic Schrödinger equations with a convolution nonlinearity.

Ce travail est motivé par une demande croissante d'informations quantitatives sur l'évolution du littoral. Nous avons étudié deux approches pour l'analyse de la dynamique sédimentaire. Les deux techniques aboutissent à la résolution de modèles non-locaux pour le fond. L'étude mathématique a porté sur l'analyse de l'existence et l'unicité de perturbations autour des ondes progressives solutions du modèle de Fowler. Nous avons montré que les solutions constantes de l'équation de Fowler sont instables. Pour la simulation numérique de ce modèle, nous avons dans un premier temps considéré des schémas aux différences finies explicites pour lesquels nous avons obtenu des critères de stabilité numérique. Dans un second temps, nous avons utilisé une approche par splitting de sorte à pouvoir résoudre la convection, puis la diffusion et l'anti-diffusion fractionnaire de façon exacte. Ensuite, il est apparu que nous pouvions utiliser les principes de minimisation pour décrire l'évolution d'un lit érodable sous l'action de l'eau où le fond est considéré comme une structure déformable de faible rigidité s'adaptant en minimisant une certaine fonctionnelle d'énergie. Il est intéressant de constater que cette seconde approche peut être liée à la première car elle débouche aussi sur une équation de type Exner avec un terme non-local. En nous inspirant du modèle morphodynamique non-local de Fowler, nous concluons cette thèse par une application exotique au traitement de signal où nous proposons une nouvelle méthode de filtrage. / This work is motivated by a growing demand for quantitative information on the evolution of the coastline.We have studied two approaches for the analysis of sand morphodynamics.Both techniques lead to the resolution of nonlocal models for the seabottom.The mathematical study focused on the analysis of the existence and uniqueness of perturbations around the travelling-waves solutions of the Fowler model. We have shown that constant solutions of Fowler's equation are unstable.For the numerical simulation of this model, we have first considered explicit finite difference schemes for which we got numerical stability criteria. We have next used an approach by splitting method in order to solve first the convection, then the diffusion/fractional anti-diffusion exactly. We have also used minimization principles to describe the evolution of an erodible bed sheared by a fluid flow where the seabed is considered as a deformable structure with low stiffness whichadapts itself by minimizing a certain energy functional. It is interesting to note that this secondapproach can be linked to the first one because it also leads to a new Exner equation with a nonlocal term for the flux. Inspired by Fowler's morphodynamical model, we conclude this dissertation with an unexpected application to signal processing.

Uma família de esquemas upwind denominada FUS-RF (Family of Upwind Scheme via Rational Functions), que é derivada via funções racionais e dependentes de parâmetros, é proposta para o cálculo de soluções aproximadas de equações de conservação. A fim de ilustrar a capacidade dos novos esquemas, vários resultados computacionais para sistemas hiperbólicos de leis de conservação são apresentados. Esses testes mostram a inflluência dos parâmetros escolidos sobre a qualidade dos resultados numéricos. Fazendo o uso de alguns testes de padrões, comparação dos novos limitadores de fluxo correspondentes com o esquema bem estabelecido van Albada e esquema atual EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme) é também realizada. Os testes numéricos realizados em transporte de escalares e problemas de dinâmica dos gases confirmam que alguns esquemas da família FUS-RF são não oscilatórios e fornecem resultados confiáveis quando perfis descontínuos são transportados. Um esquema particular dessa nova família de esquemas upwind é então selecionado e utilizado para resolver escoamentos complexos com superfícies livres móveis / A family of upwind schemes named as FUS-RF (Family of Upwind Scheme via Rational Functions), which is derived via rational functions and dependent of parameters, is proposed for computing approximated solutions of conservation equations. In order to illustrate the capability of the new schemes, several computational results for system of hyperbolic conservation laws are presented. These results clarify the influence of the chosen parameters on the quality of the numerical calculations. Using some standard test cases, comparison of the new corresponding limiters with the well established van Albada and the recently introduced EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme) limiters is also done. Numerical tests on both scalar and gas dynamics problems confirm that some schemes of the FUS-RF family are non-oscillatory and yield sharp results when solving profiles with discontinuities. A particular upwind scheme of this new family is then slected and used for solving complex incompressible moving free surface flows

Desenvolvemos novos resultados da teoria dos espaços FS e DFS (espaços de Fréchet-Schwartz e seus duais) e os empregamos ao estudo da seguinte questão: quando certas propriedades de regularidade de um operador diferencial parcial linear (entre fibrados vetoriais Gevrey sobre uma variedade Gevrey) implicam resolubilidade, no sentido de ultradistribuições, do operador transposto? Estudamos esta questão para uma classe de operadores abstratos que contém os operadores diferenciais parciais lineares com coeficientes Gevrey usuais, mas também certas classes de operadores pseudo-diferenciais em variedades compactas, além de certos tipos de operadores de ordem infinita. Neste contexto, obtemos uma nova demonstração de um resultado global em variedades compactas (em que hipoelipticidade Gevrey global de um operador implica resolubilidade global de seu transposto), assim como alguns resultados no caso não-compacto relacionados à propriedade de não-confinamento de singularidades. Na sequência apresentamos algumas aplicações concretas, em particular para operadores de Hörmander, operadores de força constante e sistemas localmente integráveis de campos vetoriais. Analisamos ainda algumas instâncias de uma conjectura levantada em um artigo recente de F. Malaspina e F. Nicola (2014), a qual afirma que, para certos complexos diferenciais naturalmente associados a estruturas localmente integráveis, resolubilidade local no sentido de ultradistribuições (perto de um ponto, em um grau fixado) implica resolubilidade local no sentido de distribuições. Estabelecemos a validade desta conjectura quando o fibrado estrutural cotangente é gerado pelo diferencial de uma única integral primeira. / We develop new techniques in the setting of FS and DFS spaces (Fréchet-Schwartz spaces and their strong duals) and apply them to the study of the following question: when regularity properties of a general linear differential operator (between Gevrey vector bundles over a Gevrey manifold) imply solvability of its transpose in the sense of ultradistributions? This question is studied for a class of abstract operators that encompasses the usual partial differential operators with Gevrey coefficients, but also some flavors of pseudodifferential operators on compact manifolds and some classes of operators with infinite order. In this setting, we obtain a new proof of a global result on compact manifolds (global Gevrey hypoellipticity of the operator implying global solvability of the transpose), as well as some results in the non-compact case by means of the so-called property of non-confinement of singularities. We then move to some concrete applications, especially for Hörmander operators, operators of constant strength and locally integrable systems of vector fields. We also analyze some instances of a conjecture stated in a recent paper of F. Malaspina and F. Nicola (2014), which asserts that, in differential complexes naturally arising from locally integrable structures, local solvability in the sense of ultradistributions (near a point, in some fixed degree) implies local solvability in the sense of distributions. We establish the validity of the conjecture when the cotangent structure bundle is spanned by the differential of a single first integral.

Desenvolvemos novos resultados da teoria dos espaços FS e DFS (espaços de Fréchet-Schwartz e seus duais) e os empregamos ao estudo da seguinte questão: quando certas propriedades de regularidade de um operador diferencial parcial linear (entre fibrados vetoriais Gevrey sobre uma variedade Gevrey) implicam resolubilidade, no sentido de ultradistribuições, do operador transposto? Estudamos esta questão para uma classe de operadores abstratos que contém os operadores diferenciais parciais lineares com coeficientes Gevrey usuais, mas também certas classes de operadores pseudo-diferenciais em variedades compactas, além de certos tipos de operadores de ordem infinita. Neste contexto, obtemos uma nova demonstração de um resultado global em variedades compactas (em que hipoelipticidade Gevrey global de um operador implica resolubilidade global de seu transposto), assim como alguns resultados no caso não-compacto relacionados à propriedade de não-confinamento de singularidades. Na sequência apresentamos algumas aplicações concretas, em particular para operadores de Hörmander, operadores de força constante e sistemas localmente integráveis de campos vetoriais. Analisamos ainda algumas instâncias de uma conjectura levantada em um artigo recente de F. Malaspina e F. Nicola (2014), a qual afirma que, para certos complexos diferenciais naturalmente associados a estruturas localmente integráveis, resolubilidade local no sentido de ultradistribuições (perto de um ponto, em um grau fixado) implica resolubilidade local no sentido de distribuições. Estabelecemos a validade desta conjectura quando o fibrado estrutural cotangente é gerado pelo diferencial de uma única integral primeira. / We develop new techniques in the setting of FS and DFS spaces (Fréchet-Schwartz spaces and their strong duals) and apply them to the study of the following question: when regularity properties of a general linear differential operator (between Gevrey vector bundles over a Gevrey manifold) imply solvability of its transpose in the sense of ultradistributions? This question is studied for a class of abstract operators that encompasses the usual partial differential operators with Gevrey coefficients, but also some flavors of pseudodifferential operators on compact manifolds and some classes of operators with infinite order. In this setting, we obtain a new proof of a global result on compact manifolds (global Gevrey hypoellipticity of the operator implying global solvability of the transpose), as well as some results in the non-compact case by means of the so-called property of non-confinement of singularities. We then move to some concrete applications, especially for Hörmander operators, operators of constant strength and locally integrable systems of vector fields. We also analyze some instances of a conjecture stated in a recent paper of F. Malaspina and F. Nicola (2014), which asserts that, in differential complexes naturally arising from locally integrable structures, local solvability in the sense of ultradistributions (near a point, in some fixed degree) implies local solvability in the sense of distributions. We establish the validity of the conjecture when the cotangent structure bundle is spanned by the differential of a single first integral.

Les systèmes d'Equations aux Dérivées Partielles Hyperboliques Linéaires du Premier Ordre (EDPs HLPO) permettent de modéliser de nombreux systèmes de lois de conservation. Ils apparaissent, par exemple, lors de la modélisation de problèmes de trafic routier, d'échangeurs de chaleurs, ou de problèmes multiphasiques. Différentes approches ont été proposées pour stabiliser ou observer de tels systèmes. Parmi elles, la méthode de backstepping consiste à transformer le système originel en un système découplé pour lequel la synthèse de la loi de commande est plus simple. Les contrôleur obtenus par cette méthode sont explicites.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des résultats généraux de théorie des systèmes. Plus précisément, nous résolvons les problèmes de stabilisation en temps fini pour une classe générale d'EDPs HLPO. Le temps de convergence minimal atteignable dépend du nombre d'actionneurs disponibles. Les observateurs associés à ces contrôleurs (nécessaires pour envisager une utilisation industrielle de tels contrôleurs) sont obtenus via une approche duale. Un des avantages importants de l'approche considérée dans cette thèse est de montrer que l'espace généré par les solutions de l'EDPs HLPO considérée est isomorphe à l'espace généré par les solutions d'une système neutre à retards distribués.Dans la seconde partie de cette thèse, nous montrons la nécessité d'un changement de stratégie pour résoudre les problèmes de contrôle robuste. Ces questions surviennent nécessairement lorsque sont considérées des applications industrielles pour lesquelles les différents paramètres du système peuvent être mal connus, pour lesquelles des dynamiques peuvent avoir été négligées, de même que des retards agissant sur la commande ou sur la mesure, ou encore pour lesquels les mesures sont bruitées. Nous proposons ainsi quelques modifications sur les lois de commande précédemment développées en y incorporant plusieurs degrés de liberté permettant d'effectuer un compromis entre performance et robustesse. L'analyse de stabilité et de robustesse sous-jacente est rendue possible en utilisant l'isomorphisme précédemment introduit. / Linear First-Order Hyperbolic Partial Differential Equations (LFOH PDEs) represent systems of conservation and balance law and are predominant in modeling of traffic flow, heat exchanger, open channel flow or multiphase flow. Different control approaches have been tackled for the stabilization or observation of such systems. Among them, the backstepping method consists to map the original system to a simpler system for which the control design is easier. The resulting controllers are explicit.In the first part of this thesis, we develop some general results in control theory. More precisely, we solve the problem of finite-time stabilization of a general class of LFOH PDEs using the backstepping methodology. The minimum stabilization time reachable may change depending on the number of available actuators. The corresponding boundary observers (crucial to envision industrial applications) are obtained through a dual approach. An important by-product of the proposed approach is to derive an explicit mapping from the space generated by the solutions of the considered LFOH PDEs to the space generated by the solutions of a general class of neutral systems with distributed delays. This mapping opens new prospects in terms of stability analysis for LFOH PDEs, extending the stability analysis methods developed for neutral systems.In the second part of the thesis, we prove the necessity of a change of strategy for robust control while considering industrial applications, for which the major limitation is known to be the robustness of the resulting control law to uncertainties in the parameters, delays in the loop, neglected dynamics or disturbances and noise acting on the system. In some situations, one may have to renounce to finite-time stabilization to ensure the existence of robustness margins. We propose some adjustments in the previously designed control laws by means of several degrees of freedom enabling trade-offs between performance and robustness. The robustness analysis is fulfilled using the explicit mapping between LFOH PDEs and neutral systems previously introduced.

Ce manuscrit porte sur les transitions compressible-incompressible dans les équations aux dérivées partielles de la mécanique des fluides. On s'intéresse à deux problèmes : les structures flottantes et les fluides en rotation. Dans le premier problème, l'introduction d'un objet flottant dans les vagues induit une contrainte sur le fluide et les équations gouvernant le mouvement acquièrent une structure compressible-incompressible. Dans le deuxième problème, le mouvement de fluides géophysiques compressibles est influencé par la rotation de la Terre. L'étude de la limite à rotation rapide montre que le champ vectoriel de vitesse tend vers une configuration horizontale et incompressible.Les structures flottantes constituent un exemple particulier d'interaction fluide-structure, où un solide partiellement immergé flotte à la surface du fluide. Ce problème mathématique modélise le mouvement de convertisseurs d'énergie marine. En particulier, on s'intéresse aux bouées pilonnantes, installées proche de la côte où les modèles asymptotiques en eaux peu profondes sont valables. On étudie les équations de Saint-Venant axisymétriques en dimension deux avec un objet flottant à murs verticaux se déplaçant seulement verticalement. Les hypothèses sur le solide permettent de supprimer le problème à bord libre associé avec la ligne de contact entre l'air, le fluide et le solide. Les équations pour le fluide dans le domaine extérieur au solide sont donc écrites comme un problème au bord quasi-linéaire hyperbolique. Celui-ci est couplé avec une EDO non-linéaire du second ordre qui est dérivée de l'équation de Newton pour le mouvement libre du solide. On montre le caractère bien posé localement en temps du système couplé lorsque que les données initiales satisfont des conditions de compatibilité afin de générer des solutions régulières.Ensuite on considère une configuration particulière: le retour à l'équilibre. Il s'agit de considérer un solide partiellement immergé dans un fluide initialement au repos et de le laisser retourner à sa position d'équilibre. Pour cela, on utilise un modèle hydrodynamique différent, où les équations sont linearisées dans le domaine extérieur, tandis que les effets non-linéaires sont considérés en dessous du solide. Le mouvement du solide est décrit par une équation intégro-différentielle non-linéaire du second ordre qui justifie rigoureusement l'équation de Cummins, utilisée par les ingénieurs pour les mouvements des objets flottants. L'équation que l'on dérive améliore l'approche linéaire de Cummins en tenant compte des effets non-linéaires. On montre l'existence et l'unicité globale de la solution pour des données petites en utilisant la conservation de l'énergie du système fluide-structure.Dans la deuxième partie du manuscrit, on étudie les fluides en rotation rapide. Ce problème mathématique modélise le mouvement des flots géophysiques à grandes échelles influencés par la rotation de la Terre. Le mouvement est aussi affecté par la gravité, ce qui donne lieu à une stratification de la densité dans les fluides compressibles. La rotation génère de l'anisotropie dans les flots visqueux et la viscosité turbulente verticale tend vers zéro dans la limite à rotation rapide. Notre interêt porte sur ce problème de limite singulière en tenant compte des effets gravitationnels et compressibles. On étudie les équations de Navier-Stokes-Coriolis anisotropes compressibles avec force gravitationnelle dans la bande infinie horizontale avec une condition au bord de non glissement. Celle-ci et la force de Coriolis donnent lieu à l'apparition des couches d'Ekman proche du bord. Dans ce travail on considère des données initiales bien préparées. On montre un résultat de stabilité des solutions faibles globales pour des lois de pression particulières. La dynamique limite est décrite par une équation quasi-géostrophique visqueuse en dimension deux avec un terme d'amortissement qui tient compte des couches limites. / This manuscript deals with compressible-incompressible transitions arising in partial differential equations of fluid mechanics. We investigate two problems: floating structures and rotating fluids. In the first problem, the introduction of a floating object into water waves enforces a constraint on the fluid and the governing equations turn out to have a compressible-incompressible structure. In the second problem, the motion of geophysical compressible fluids is affected by the Earth's rotation and the study of the high rotation limit shows that the velocity vector field tends to be horizontal and with an incompressibility constraint.Floating structures are a particular example of fluid-structure interaction, in which a partially immersed solid is floating at the fluid surface. This mathematical problem models the motion of wave energy converters in sea water. In particular, we focus on heaving buoys, usually implemented in the near-shore zone, where the shallow water asymptotic models describe accurately the motion of waves. We study the two-dimensional nonlinear shallow water equations in the axisymmetric configuration in the presence of a floating object with vertical side-walls moving only vertically. The assumptions on the solid permit to avoid the free boundary problem associated with the moving contact line between the air, the water and the solid. Hence, in the domain exterior to the solid the fluid equations can be written as an hyperbolic quasilinear initial boundary value problem. This couples with a nonlinear second order ODE derived from Newton's law for the free solid motion. Local in time well-posedness of the coupled system is shown provided some compatibility conditions are satisfied by the initial data in order to generate smooth solutions.Afterwards, we address a particular configuration of this fluid-structure interaction: the return to equilibrium. It consists in releasing a partially immersed solid body into a fluid initially at rest and letting it evolve towards its equilibrium position. A different hydrodynamical model is used. In the exterior domain the equations are linearized but the nonlinear effects are taken into account under the solid. The equation for the solid motion becomes a nonlinear second order integro-differential equation which rigorously justifies the Cummins equation, assumed by engineers to govern the motion of floating objects. Moreover, the equation derived improves the linear approach of Cummins by taking into account the nonlinear effects. The global existence and uniqueness of the solution is shown for small data using the conservation of the energy of the fluid-structure system.In the second part of the manuscript, highly rotating fluids are studied. This mathematical problem models the motion of geophysical flows at large scales affected by the Earth's rotation, such as massive oceanic and atmospheric currents. The motion is also influenced by the gravity, which causes a stratification of the density in compressible fluids. The rotation generates anisotropy in viscous flows and the vertical turbulent viscosity tends to zero in the high rotation limit. Our interest lies in this singular limit problem taking into account gravitational and compressible effects. We study the compressible anisotropic Navier-Stokes-Coriolis equations with gravitational force in the horizontal infinite slab with no-slip boundary condition. Both this condition and the Coriolis force cause the apparition of Ekman layers near the boundary. They are taken into account in the analysis by adding corrector terms which decay in the interior of the domain. In this work well-prepared initial data are considered. A stability result of global weak solutions is shown for power-type pressure laws. The limit dynamics is described by a two-dimensional viscous quasi-geostrophic equation with a damping term that accounts for the boundary layers.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) retrace dix années de recherche en tant que maître de conférences, autour de modèles d'EDP appliqués à des écoulements de fluides. On y trouve aussi bien des aspects analyse mathématique, qu'analyse numérique, algorithmique ou encore calcul et mise en oeuvre informatique. Les principaux modèles d'EDP abordés sont les équations de Navier-Stokes ou Stokes surface libre (micro-fluidique, glaciologie), les équations de St-Venant ou asymptotique "shallow" (hydraulique fluviale, glaciologie). L'orientation de ces études vers les thématiques applicatives a conduit à élaborer des modèles numériques potentiellement applicables aux problèmes réels posés. Ainsi, les aspects calibration de modèles, optimisation, identification, analyse de sensibilité et assimilation de données (via le contrôle optimal) y sont largement représentés. En termes de réalisation de logiciels prototypes, sont présentés un code d'hydraulique fluviale (inondations) dédié à l'analyse de sensibilité, l'assimilation variationnelle de données et le couplage, un code surface libre d'impact de gouttelettes (2D axisymétrique ALE) et un code d'optimisation de forme appliqué à l'électro-capillarité. <br /> Le premier chapitre présente des analyses mathématiques et analyse de schémas éléments finis basées sur des troncatures. Un second chapitre décrit un cadre mathématique et algorithmique pour l'optimisation de forme, avec applications à un modèle Navier-Stokes - thermique radiative et à une gouttelette électrifiée (électro-capillarité). Un troisième chapitre traite de la modélisation numérique de la dynamique d'une gouttelette sur un substrat solide. La dynamique de la ligne triple y est décrite à l'aide du modèle de Shikhmurzaev. Dans un quatrième chapitre sont présentés plusieurs travaux autour d'écoulements fluviaux et zones d'inondations (St-Venant 1.5D-2D, schémas volumes finis). Les processus de calibrage de modèles, de couplage et d'assimilation variationnelle de données constituent une grand part des travaux. Des applications à des écoulements réels avec données non standards (trajectoires lagrangiennes, image satellite) démontrent la potentialité des méthodes développées. Le dernier chapitre traite des travaux récemment initiés et tout particulièrement ceux relatifs aux calottes polaires (Stokes non-Newtonien et équations asymptotiques). Parmi les difficultés mathématiques soulevées figurent la réduction de modèles (asymptotique, réduction d'ordre), le couplage, la sensibilité des modèles aux erreurs et aux paramètres, et enfin l'assimilation de données et le calibrage.