Les propriétés des supraconducteurs sont à la base d’une multitude d’applications dans les domaines tels que l’ingénierie, la médecine, ou encore la recherche fondamentale. Les travaux de caractérisation réalisés depuis la découverte de la supraconductivité ont permis d’introduire des lois d’évolution macroscopiques. Elles sont aujourd’hui très utilisées pour dimensionner les nouvelles applications de ces matériaux. L’une d’elle est une relation de type puissance qui relie la densité de courant au champ électrique E Jn. Lorsqu’elle est associée aux équations de Maxwell, on obtient des problèmes différentiels complexes dont la résolution est devenu un axe de recherche très important pour la caractérisation des ces matériaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit s’articulent autour de la résolution du problème de diffusion non linéaire satisfait par le champ électrique. Dans ceux-ci, on utilise d’abord une approche analytique basée sur le principe d’auto-similarité pour caractériser la pénétration de la densité de courant dans une plaque supraconductrice bornée. Cette solution nous permet de valider la méthode numérique mixte éléments finis-volumes finis (FEM-FVM) proposée pour faire face aux difficultés qu’introduit l’exposant n de la caractéristique E(J). L’exploitation des calculs numériques effectués pour n 2 [1, 200], nous ont notamment permis de mettre en évidence l’influence de la vitesse de variation d’une source imposée sur l’aimantation et la dissipation dans le matériau. / The properties of superconductors are behind of many applications in fields such as engineering, medicine or yet fundamental research.The works of characterization performed since the discovery of superconductivity has enabled the introduction of macroscopic evolution laws. They are now widely used to size the new applications of these materials. One of them is a power law linking the current density the electric field E Jn. When it is coupled with Maxwell equations, we obtain complex differentials problems, whose resolution has become an very important axis of research for the characterization of these materials. The work presented in this manuscript are focused on solving the nonlinear diffusion equation satisfied by the electric field. In these, one first uses an analytical approach based on the principle of self-similarity in order to characterize the penetration of the current density in a superconducting bounded plate. This solution allows us to validate the mixed finite element-finite volume (FVM-FEM) method proposed in order to face up the difficulties introduced by the exponent n of power law E(J). The use of numerical calculations performed for n in[1, 200] allowed us to highlight the influence of the rate of change of imposed source on the magnetization and dissipation in the material.

This study focuses on numerical modeling of fluid flow and solute transport in rough-walled rock fractures and fracture-matrix systems, with the main aim to investigate the impacts of fracture surface roughness on flow and transport processes in rock fractures. Both 2D and 3D fracture models were built from laser-scanned surface tomography of a real granite rock sample, to consider realistic features of surface tomography and potential asperity contacts. The flow was simulated by directly solving the Navier-Stokes equations (NSE) and the transport was modeled by solving the advection-dispersion equation (ADE) in the entire domain of fracture-matrix system, including matrix diffusion process. Such direct simulations provided detailed flow and concentration fields for quantitatively analysis of flow and transport behavior. The detailed analysis of surface roughness decomposition, complex flow patterns (i.e., channeling, transverse and eddy flows), effective advective flow apertures, effective transmissivity, effective dispersivity, residence time, transport resistance and specific surface area demonstrated significant impacts of realistic fracture surface roughness on fluid flow and solute transport processes in rock fractures. The results show that the surface roughness and shear displacement caused asperity contacts significantly enhance nonlinearity and complexity of flow and transport processes in rough-walled fractures and fracture-matrix systems. The surface roughness also causes invasion flows in intersected fractures which enhance solute mixing at fracture intersections. Therefore, the fracture surface roughness is an important source of uncertainty in application of such simplified models like cubic law (CL) for fluid flow and analytical solutions for solute transport in rock fractures. The research conducted advances our understanding of realistic flow and transport processes in natural fractured rocks. The results are useful for model validation/extension, uncertainty analysis/quantification and laboratory experiments design in the context of various applications related to fracture flow and transport. / Denna studie fokuserar på numerisk modellering av vätskeflöde och transport av lösta ämnen i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem, med det huvudsakliga syftet att undersöka effekterna av frakturernas ytjämnhet på flödes- och transportprocesser i bergsfrakturer. Både 2D och 3D modeller skapades utifrån laser skannad tomografi av ett verkligt bergartsprov av granit, för att överväga de realistiska egenskaperna hos ytan och potentiell skrovlighet. Flödet simulerades genom att lösa Navier-Stokes ekvationer (NSE) och transporten modellerades genom att lösa advektion-dispersion ekvation (ADE) i hela domänen av fraktur-matrissystemet, inklusive diffusions process i matrisen. Sådana direkta simuleringar resulterade i detaljerade flödes- och koncentrationsfält för att kvantitativt kunna analysera flödet och transportbeteendet. En detaljerad analys av upplösningen av ytjämnhet, komplexa flödesmönster (dvs kanalisering, tvärgående och virvelströmmar), effektiv advektiv flödesöppning, effektiv transmissivitet, effektiv dispersivitet, uppehållstid, transport motstånd och specifik yta visade signifikanta effekter av realistiska ojämna frakturväggar på vätskeflöde och lösta transportprocesser i bergssprickor. Resultaten visar att ytjämnhet och skjuvningssystemsorsakade asperitetskontakter avsevärt förbättrar olinjäritet och komplexitet av flödes- och transportprocesser i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem. Ytråheten orsakar också intrång av flöde i tvärgående frakturer vilket ökar blandingen av lösta ämnen i korsningarna. Därför är ytjämnhet av frakturerna en viktig källa till osäkerhet i tillämpningen av sådana förenklade modeller som kubisk lag (CL) för vätskeflöde och analytiska lösningar för transport av lösta ämnen i bergsfrakturer. Studien har ökat förståelsen för realistiska flödes- och transportprocesser i naturligt sprucket berg. Resultaten är användbara för modellvalidering/förlängning, osäkerhetsanalys/kvantifiering och design av laboratorieexperiment i samband med olika tillämpningar av flöde och transport i bergsfrakturer. / <p>QC 20161010</p>

Cette thèse comporte deux volets indépendants mais tous deux motivés par la modélisation mathématique et la simulation numérique de procédés photovoltaïques. La Partie I traite de systèmes d’équations aux dérivées partielles de diffusion croisée, modélisant l’évolution de concentrations ou de fractions volumiques de plusieurs espèces chimiques ou biologiques. Nous présentons dans le chapitre 1 une introduction succincte aux résultats mathématiques connus sur ces systèmes lorsqu’ils sont définis sur des domaines fixes. Nous présentons dans le chapitre 2 un système unidimensionnel que nous avons introduit pour modéliser l’évolution des fractions volumiques des différentes espèces chimiques intervenant dans le procédé de déposition physique en phase vapeur (PVD) utilisé pour la fabrication de cellules solaires à couches minces. Dans ce procédé, un échantillon est introduit dans un four à très haute température où sont injectées les différentes espèces chimiques sous forme gazeuse, si bien que des atomes se déposent petit à petit sur l’échantillon, formant une couche mince qui grandit au fur et à mesure du procédé. Dans ce modèle sont pris en compte à la fois l’évolution de la surface du film solide au cours du procédé et l’évolution des fractions volumiques locales au sein de ce film, ce qui aboutit à un système de diffusion croisée défini sur un domaine dépendant du temps. En utilisant une méthode récente basée sur l’entropie, nous montrons l’existence de solutions faibles à ce système et nous étudions leur comportement asymptotique dans le cas où les flux extérieurs imposés à la surface du film sont supposés constants. De plus, nous prouvons l’existence d’une solution à un problème d’optimisation sur les flux extérieurs. Nous présentons dans le chapitre 3comment ce modèle a été adapté et calibré sur des données expérimentales. La Partie II est consacrée à des questions reliées au calcul de la structure électronique de matériaux cristallins. Nous rappelons dans le chapitre 4 certains résultats classiques relatifs à la décomposition spectrale d’opérateurs de Schrödinger périodiques. Dans le chapitre 5, nous tentons de répondre à la question suivante : est-il possible de déterminer un potentiel périodique tel que les premières bandes d’énergie de l’opérateur de Schrödinger associé soient aussi proches que possible de certaines fonctions cibles ?Nous montrons théoriquement que la réponse à cette question est positive lorsque l’on considère la première bande de l’opérateur et des potentiels unidimensionnels appartenant à un espace de mesures périodiques bornées inférieurement en un certain sens. Nous proposons également une méthode adaptative pour accélérer la procédure numérique de résolution du problème d’optimisation. Enfin, le chapitre 6 traite d’un algorithme glouton pour la compression de fonctions de Wannier en exploitant leurs symétries. Cette compression permet, entre autres, d’obtenir des expressions analytiques pour certains coefficients de tight-binding intervenant dans la modélisation de matériaux 2D / This thesis includes two independent parts, both motivated by mathematical modeling and numerical simulation of photovoltaic devices. Part I deals with cross-diffusion systems of partial differential equations, modeling the evolution of concentrations or volume fractions of several chemical or biological species. We present in Chapter 1 a succinct introduction to the existing mathematical results about these systems when they are defined on fixed domains. We present in Chapter 2 a one-dimensional system that we introduced to model the evolution of the volume fractions of the different chemical species involved in the physical vapor deposition process (PVD) used in the production of thin film solar cells. In this process, a sample is introduced into a very high temperature oven where the different chemical species are injected in gaseous form, so that atoms are gradually deposited on the sample, forming a growing thin film. In this model, both the evolution of the film surface during the process and the evolution of the local volume fractions within this film are taken into account, resulting in a cross-diffusion system defined on a time dependent domain. Using a recent method based on entropy estimates, we show the existence of weak solutions to this system and study their asymptotic behavior when the external fluxes are assumed to be constant. Moreover, we prove the existence of a solution to an optimization problem set on the external fluxes. We present in Chapter3 how was this model adapted and calibrated on experimental data. Part II is devoted to some issues related to the calculation of the electronic structure of crystalline materials. We recall in Chapter 4 some classical results about the spectral decomposition of periodic Schrödinger operators. In text of Chapter 5, we try to answer the following question: is it possible to determine a periodic potential such that the first energy bands of the associated periodic Schrödinger operator are as close as possible to certain target functions? We theoretically show that the answer to this question is positive when we consider the first energy band of the operator and one-dimensional potentials belonging to a space of periodic measures that are lower bounded in certain ness. We also propose an adaptive method to accelerate the numerical optimization procedure. Finally, Chapter 6 deals with a greedy algorithm for the compression of Wannier functions into Gaussian-polynomial functions exploiting their symmetries. This compression allows, among other things, to obtain closed expressions for certain tight-binding coefficients involved in the modeling of 2D materials

Dans cette thèse, nous nous intéressons a la résolution de problèmes de contrôle optimal associés a des équations de diffusion et onde fractionnaires en temps et a données incomplètes, ou les dérivées sont prises au sens de Riemann-Liouville. / In this thesis, we are interested in the résolution of optimal control problems associated to fractional diffusion-wave equations in time with incomplete data, and where derivatives are understood in Riemann-Liouville sense.

Cette thèse traite de problèmes inverses de sources dans deux cas : les sources fixes en 2D et 3D équations elliptiques et une source non-stationnaire dans une équation de diffusion. Dans le cadre de ce travail, nous considérons des sources ponctuelles (monopôles, dipôles et sources multipolaires) et des sources ayant support compact dans un nombre fini de petits sous-domaines qui modèlent les sources dans les problèmes EEG/MEG et le problème de tomographie par bioluminescence (BLT). Le but de cette thèse est de proposer des méthodes d’identification robustes qui permettent de déterminer leur nombre, leurs intensités et leurs positions. Des méthodes algébriques directes sont utilisées pour identifier les sources fixes et une méthode quasi-algébrique mélangée avec un problème d’optimisation est utilisé pour récupérer les sources avec des intensités variables dans le temps. Des résultats numériques sont effectués afin de mettre en évidence la robustesse de nos algorithmes d’identification. / This thesis deals with inverse source problems in 2 cases : stationary sources in 2D and 3D elliptic equations and a non-stationary source in a diffusion equation. the main form of sources considered are pointwise sources (monopoles, dipoles and multipolar sources) having compact support within a finite number of small subdomains modeling EEG/MEG problems and Bioluminescence Tomography (BLT) problems. The purpose o this thesis is mainly to propose robust identification methods that enable us to reconstruct the number, the intensity and the location of the sources. Direct algebraic methods are used to identify the stationary siurces and a quasi-algebraic method mixed with an optimieation method is employed to recover sources with time-variable intensities. Numerical results are shown to prove the robustness of our identification algorithms.

Le but de ce travail est l'étude d'un problème de transmission en dynamique de population entre deux habitats juxtaposés. Dans chacun des habitats, on considère une équation aux dérivées partielles, modélisant la dispersion généralisée, formée par une combinaison linéaire du laplacien et du bilaplacien. On commence d'abord par étudier et résoudre la même équation avec diverses conditions aux limites posée dans un seul habitat. Cette étude est effectuée grâce à une formulation opérationnelle du problème: on réécrit cette EDP sous forme d'équation différentielle, posée dans un espace de Banach construit sur les espaces Lp avec 1 < p < +∞, où les coefficients sont des opérateurs linéaires non bornés. Grâce au calcul fonctionnel, à la théorie des semi-groupes analytiques et à la théorie de l'interpolation, on obtient des résultats optimaux d'existence, d'unicité et de régularité maximale de la solution classique si et seulement si les données sont dans certains espaces d'interpolation. / The aim of this work is the study of a transmission problem in population dynamics between two juxtaposed habitats. In each habitat, we consider a partial differential equation, modeling the generalized dispersion, made up of a linear combination of Laplacian and Bilaplacian operators. We begin by studying and solving the same equation with various boundary conditions in a single habitat. This study is carried out using an operational formulation of the problem: we rewrite this PDE as a differential equation, set in a Banach space built on the spaces Lp with 1 < p < +∞, where the coefficients are unbounded linear operators. Thanks to functional calculus, analytic semigroup theory and interpolation theory, we obtain optimal results of existence, uniqueness and maximum regularity of the classical solution if and only if the data are in some interpolation spaces.

Understanding and characterising the diffusive transport of capillary oxygen and nutrients in striated muscles is key to assessing angiogenesis and investigating the efficacy of experimental and therapeutic interventions for numerous pathological conditions, such as chronic ischaemia. In articular, the influence of both muscle tissue and microvascular heterogeneities on capillary oxygen supply is poorly understood. The objective of this thesis is to develop mathematical and computational modelling frameworks for the purpose of extending and generalising the current use of histology in estimating the regions of tissue supplied by individual capillaries to facilitate the exploration of functional capillary oxygen supply in striated muscles. In particular, we aim to investigate the balance between local capillary supply of oxygen and oxygen demand in the presence of various anatomical and functional heterogeneities, by capturing tissue details from histological imaging and estimating or predicting regions of capillary supply. Our computational method throughout is based on a finite element framework that captures the anatomical details of tissue cross sections. In Chapter 1 we introduce the problem. In Chapter 2 we develop a theoretical model to describe oxygen transport from capillaries to uniform muscle tissues (e.g. cardiac muscle). Transport is then explored in terms of oxygen levels and capillary supply regions. In Chapter 3 we extend this modelling framework to explore the influence of the surrounding tissue by accounting for the spatial anisotropies of fibre oxygen demand and diffusivity and the heterogeneity in fibre size and shape, as exemplified by mixed muscle tissues (e.g. skeletal muscle). We additionally explore the effects of diffusion through the interstitium, facilitated--diffusion by myoglobin, and Michaelis--Menten kinetics of tissue oxygen consumption. In Chapter 4, a further extension is pursued to account for intracellular heterogeneities in mitochondrial distribution and diffusive parameters. As a demonstration of the potential of the models derived in Chapters 2--4, in Chapter 5 we simulate oxygen transport in myocardial tissue biopsies from rats with either impaired angiogenesis or impaired arteriolar perfusion. Quantitative predictions are made to help explain and support experimental measurements of cardiac performance and metabolism. In the final chapter we summarize the main results and indicate directions for further work.