Axisymmetric and swirling jets are generic flows that characterize many natural and man-made flows. These include cylindrical shear layer/mixing layer flows, aircraft jets and wakes, shedding of leading edge and wing tip vortices, tornadoes, astrophysical plasma flows and flows in mechanical devices such as supersonic combustion chambers and cyclone separators. These and other applications have resulted in a high level of interest in the stability of axisymmetric and swirling jets. To date, the majority of studies on stability of axisymmetric and swirling jets have been completed under the assumption of steady flow in both axial and azimuthal (swirl) directions. Yet, flows such as the ones mentioned above can have an inherent unsteadiness. Moreover, such unsteadiness can be used to control stability and thus flow characteristics in axisymmetric and swirling jets. In this work effects of periodic variations on the temporal stability of axisymmetric and swirling jets is examined. The unsteadiness is introduced in the former as a periodic variation of the axial velocity component of the flow, and in the latter as a periodic variation of the azimuthal (swirl) velocity component of the flow. The temporal linear hydrodynamic stability of both steady inviscid axisymmetric and swirling jets is reviewed. An analytical dispersion relation is obtained in both cases and solved numerically. In the case of the steady axisymmetric jet, growth rate and celerity of unstable axisymmetric and helicalmodes are determined as functions of axial wavenumber. Results show that the inviscid axisymmetric jet is unstable to all values of axisymmetric and helical modes. In the case of the steady swirling jet, growth rate and celerity of axisymmetric modes are determined as functions of the axial wavenumber and swirl number. Results show that the inviscid swirling jet is unstable to all values of axial and azimuthal wavenumber, however, it is shown that increasing the swirl decreases the growth rate and increases the celerity of axisymmetric disturbances. The effects of periodic variations on the stability of a mixing layer is also reviewed. Results show that when the instability time scale is much smaller than the mean time scale a transformation of the time variable may be taken that, when the quasi-steady approach works, will reduce the unsteady field to that of the corresponding steady field in the new time scale. The price paid for this transformation, however, is a modulation of the amplitude and phase of the unsteady modes. Extending the results from the unsteady mixing layer, the stability of a periodically unsteady inviscid axisymmetric jet is considered. An analytical dispersion relation is obtained and results show that for the unsteady inviscid axisymmetric jet, the quasi-steady approach works. Following this, the stability of a periodically unsteady swirling jet is considered and an analytical dispersion relation is obtained. It is shown that for the unsteady inviscid swirling jet, the quasi-steady approach does not work. Resulting modulations of unsteady modes are shown via a numerical solution to the unsteady dispersion relation. In both cases, using established results for unsteady mixing layers, these results are substantiated analytically by showing that the unsteady axisymmetric jet can be reduced the the exact equational form of the steady axisymmetric jet in a new time scale, whereas the unsteady swirling jet cannot. / Master of Science

Attenuation of low frequency turbofan engine noise has been a challenging task in an industry that requires low weight and tightly-packed solutions. Without innovative advancements, the technology currently used will not be able to keep up with the increasingly stringent requirements on aircraft noise reduction. A need exists for novel technologies that will pave the way for the future of quiet aircraft. This thesis investigates acoustic metamaterials and their ability to achieve superior transmission loss characteristics not found in traditional honeycomb liners. The acoustic metamaterials investigated are an array of Helmholtz resonators with and without coupled cavities periodically-spaced along a duct wall. Analytical, numerical, and experimental developments of these acoustic metamaterial systems are used herein to study the effects of this technology on the transmission loss. Particularly focusing on analytical modeling will aid in understanding the underlying physics that governs their interesting transmission loss behavior. A deeper understanding of the physics will be used to aid in future acoustic metamaterial liner design. A parameter study is performed to understand the effects of the geometry, spacing, and number of resonators, as well as resonator cavity coupling on performance. Increased broadband transmission loss, particularly in low frequencies, is achieved through intelligent manipulation of these parameters. Acoustic metamaterials are shown to have appealing noise cancellation characteristics that prove to be effective for aircraft engine liner applications. / Master of Science / Aircraft noise reduction is an ongoing challenge for the aerospace industry. Without innovative advancements, the next generation of aircraft will not be able to keep up with increasingly stringent noise regulations; novel acoustic technology is needed to pave the way for a future of quieter aircraft. This thesis investigates acoustic metamaterials and their ability to achieve superior noise reduction over traditional methods. Modeling techniques were developed, and experimental tests were conducted to quantitatively evaluate the effectiveness of a new acoustic metamaterial system. The acoustic metamaterial design explored herein was proven to reduce noise effectively and shows promise for a world of quieter aircraft.

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.

Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités. / The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process.

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

Diese Dissertation verallgemeinert die nichtkonformen Finite-Elemente-Methoden (FEMn) nach Morley und Crouzeix und Raviart durch neue gemischte Formulierungen für das Poisson-Problem, die Stokes-Gleichungen, die Navier-Lamé-Gleichungen der linearen Elastizität und m-Laplace-Gleichungen der Form $(-1)^m\Delta^m u=f$ für beliebiges m=1,2,3,... Diese Formulierungen beruhen auf Helmholtz-Zerlegungen. Die neuen Formulierungen gestatten die Verwendung von Ansatzräumen beliebigen Polynomgrades und ihre Diskretisierungen stimmen für den niedrigsten Polynomgrad mit den genannten nicht-konformen FEMn überein. Auch für höhere Polynomgrade ergeben sich robuste Diskretisierungen für fast-inkompressible Materialien und Approximationen für die Lösungen der Stokes-Gleichungen, die punktweise die Masse erhalten. Dieser Ansatz erlaubt außerdem eine Verallgemeinerung der nichtkonformen FEMn von der Poisson- und der biharmonischen Gleichung auf m-Laplace-Gleichungen für beliebiges m>2. Ermöglicht wird dies durch eine neue Helmholtz-Zerlegung für tensorwertige Funktionen. Die neuen Diskretisierungen lassen sich nicht nur für beliebiges m einheitlich implementieren, sondern sie erlauben auch Ansatzräume niedrigster Ordnung, z.B. stückweise affine Polynome für beliebiges m. Hat eine Lösung der betrachteten Probleme Singularitäten, so beeinträchtigt dies in der Regel die Konvergenz so stark, dass höhere Polynomgrade in den Ansatzräumen auf uniformen Gittern dieselbe Konvergenzrate zeigen wie niedrigere Polynomgrade. Deshalb sind gerade für höhere Polynomgrade in den Ansatzräumen adaptiv generierte Gitter unabdingbar. Neben der A-priori- und der A-posteriori-Analysis werden in dieser Dissertation optimale Konvergenzraten für adaptive Algorithmen für die neuen Diskretisierungen des Poisson-Problems, der Stokes-Gleichungen und der m-Laplace-Gleichung bewiesen. Diese werden auch in den numerischen Beispielen dieser Dissertation empirisch nachgewiesen. / This thesis generalizes the non-conforming finite element methods (FEMs) of Morley and Crouzeix and Raviart by novel mixed formulations for the Poisson problem, the Stokes equations, the Navier-Lamé equations of linear elasticity, and mth-Laplace equations of the form $(-1)^m\Delta^m u=f$ for arbitrary m=1,2,3,... These formulations are based on Helmholtz decompositions. The new formulations allow for ansatz spaces of arbitrary polynomial degree and its discretizations coincide with the mentioned non-conforming FEMs for the lowest polynomial degree. Also for higher polynomial degrees, this results in robust discretizations for almost incompressible materials and approximations of the solution of the Stokes equations with pointwise mass conservation. Furthermore this approach also allows for a generalization of the non-conforming FEMs for the Poisson problem and the biharmonic equation to mth-Laplace equations for arbitrary m>2. A new Helmholtz decomposition for tensor-valued functions enables this. The new discretizations allow not only for a uniform implementation for arbitrary m, but they also allow for lowest-order ansatz spaces, e.g., piecewise affine polynomials for arbitrary m. The presence of singularities usually affects the convergence such that higher polynomial degrees in the ansatz spaces show the same convergence rate on uniform meshes as lower polynomial degrees. Therefore adaptive mesh-generation is indispensable especially for ansatz spaces of higher polynomial degree. Besides the a priori and a posteriori analysis, this thesis proves optimal convergence rates for adaptive algorithms for the new discretizations of the Poisson problem, the Stokes equations, and mth-Laplace equations. This is also demonstrated in the numerical experiments of this thesis.

Ce projet de doctorat consiste en la proposition d'une solution technologique d'un résonateur de Helmholtz adaptatif à volume variable, permettant ainsi de s'affranchir du caractère mono-fréquentiel des résonateurs de Helmholtz passifs. Le réglage de volume s'effectue grâce à l'utilisation d'une membrane en polymère électroactif (EAP), permettant ainsi d'accorder les résonances du résonateur de Helmholtz. Le comportement mécanique de ces matériaux est modifié lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. Des améliorations significatives en perte par transmission acoustique sont obtenues en basses fréquences par deux effets: la variation de raideur de la membrane et l'augmentation de volume due à la déformation de la membrane. Des études numériques, analytiques et expérimentales sont réalisées pour déterminer le potentiel des concepts proposés. Enfin, une structure périodique contenant 9 résonateurs adaptatifs à membranes électroactives est étudiée en champs diffus permettant d'évaluer les performances acoustiques du concept distribué. / This main goal of the project consists in proposing a technological solution of an adaptive Helmholtz resonator with variable volume, which allows to overcome the mono-frequency character of passive Helmholtz resonators. The volume control is achieved by the use of an electroactive polymer membrane (EAP), allowing the resonances of the Helmholtz resonator to be tuned. The mechanical behavior of these materials changes when they are stimulated by an electric field. Significant improvements in acoustic transmission loss are obtained at low frequencies by two effects: the variation of stiffness of the membrane and the increase of volume due to the deformation of the membrane. Numerical, analytical and experimental studies are carried out to determine the potential of the proposed concepts. Finally, a periodic structure containing 9 adaptive resonators with electroactive membranes is studied in diffuse fields to evaluate the acoustic performances of the distributed concept.

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.

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

Nous proposons dans ce mémoire de thèse une méthodologie permettant la résolution du problème de la décomposition de Hodge-Helmholtz discrète sur maillages polyédriques. Le défi de ce travail consiste à respecter les propriétés de la décomposition au niveau discret. Pour répondre à cet objectif, nous menons une étude bibliographique nous permettant d'identifier la nécessité de la mise en oeuvre de schémas numériques mimétiques. La description ainsi que la validation de la mise en oeuvre de ces schémas sont présentées dans ce mémoire. Nous revisitons et améliorons les méthodes de décomposition que nous étudions ensuite au travers d'expériences numériques. En particulier, nous détaillons le choix d'un solveur linéaire ainsi que la convergence des quantités extraites sur un ensemble varié de maillages polyédriques et de conditions aux limites. Nous appliquons finalement la décomposition de Hodge-Helmholtz à l'étude de deux écoulements turbulents : un écoulement en canal plan et un écoulement turbulent homogène isotrope. / We propose in this thesis a methodology to compute the Helmholtz-Hodge decomposition on discrete polyhedral meshes. The challenge of this work isto preserve the properties of the decomposition at the discrete level. In our literature survey, we have identified the need of mimetic schemes to achieve our goal. The description and validation of our implementation of these schemes are presented inthis document. We revisit and improve the methods of decomposition we then study through numerical experiments. In particular, we detail our choice of linear solvers and the convergence of extracted quantities on various series of polyhedral meshes and boundary conditions. Finally, we apply the Helmholtz-Hodge decomposition to the study of two turbulent flows: a turbulent channel flow and a homogeneous isotropic turbulent flow.