La simulation de fluide fait l’objet de recherches actives en infographie. Largement utilisée dans le domaine des jeux vidéos ou de l’animation, elle permet de simuler le comportement des liquides, des gaz et autres phénomènes pouvant être apparentés à un fluide. Pour cela, la simulation de fluide dispose d’outils de calcul numériques adaptés, permettant de produire des animations visuellement réalistes pour un temps de calcul raisonnable. Ce mémoire décrit les deux principales approches utilisées en simulation de fluide : l’approche eulérienne et l’approche lagrangienne, ainsi que certains outils numériques associés, que sont les différences finies et les fonctions de lissage. Chaque approche et chaque outil numérique possède ses avantages et ses inconvénients. Les noyaux constants par morceaux constituent un nouvel outil de calcul numérique et ouvrent de nouvelles possibilités à la simulation de fluide. Ils seront étudiés en détails puis intégrés dans une simulation de fluide eulérienne. L’atout notable qu’apportent les noyaux constants par morceaux est la possibilité d’augmenter la précision des calculs là où cela est jugé nécessaire dans la simulation. En augmentant la précision des calculs aux endroits clés, où sont susceptibles d’apparaitre des effets visuellement attrayants comme les tourbillons ou les remous, nous améliorons la qualité des animations.

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

Dans cette thèse on utilise une méthode de Galerkin discontinue (GD) pour modéliser la propagation des ondes dans un matériau endommagé. Deux modèles différents pour la description de l’endommagement ont été considérés. Dans la première partie de la thèse on utilise un modèle d’endommagent assez général, basé sur une modélisation micromécanique. Pour ce modèle on établit un critère de stabilité basé sur une densité critique de fissuration. On développe aussi une méthode numérique GD capable de capturer les instabilités au niveau microscopique. On construit une solution exacte pour analyser la précision de la méthode proposée.Plusieurs résultats numériques vont permettre d’analyser la propagation des ondes dans les configurations planes et anti-planes. Dans la deuxième parte de la thèse on étudie la propagation des ondes dans un milieux fissuré (microfissures en contact avec frottement). La méthode numérique développée utilise une technique GD et la méthode du Lagrangien augmenté. En utilisant cette méthode on a pu calculer numériquement la vitesse de propagation moyenne dans un matériau endommagé. On a pu comparer les résultats obtenus avec les formules analytiques obtenues avec des approches micromécaniques. Finalement, on a utilisé les calculs numériques pour étudier la propagation des ondes après un impact sur une plaque céramique pour les deux modèles mécaniques considérés. / A discontinuous Galerkin (DG) technique for modeling wave propagation in damaged (brittle) materials is developed in this thesis. Two different types of mechanical models for describing the damaged materials are considered. In the first part of the thesis general micro-mechanics based damage models were used. A critical crack density parameter, which distinguishes between stable and unstable behaviors, wascomputed. A new DG-numerical scheme able to capture the instabilities and a micro-scale time step were proposed. An exact solution is constructed and the accuracy of the numerical scheme was analyzed. The wave propagation in one dimensional and anti-plane configuration was analyzed through several numerical computations. In the second part of the thesis the wave propagation in cracked materials with a nonlinear micro-structure (micro-cracks in frictional contact) was investigated. The numerical scheme developed makes use of a DG-method and an augmented Lagrangian technique. The effective wave velocity in a damaged material, obtained by a numerical upscaling homogenization method, was compared with analytical formula of effective elasticity theory. The wave propagation (speed, amplitude and pulse length) in micro-cracked materials in complex configurations was studied. Finally, numerical computations of blast wave propagation,for the both models, illustrate the role played by the micro-cracks orientation and by the friction.

Dans cette thèse, nous nous étudions des algorithmes d’optimisation non linéaire. D’une part nous proposons des techniques de détection rapide de la non-réalisabilité d’un problème à résoudre. D’autre part, nous analysons le comportement local des algorithmes pour la résolution de problèmes singuliers. Dans la première partie, nous présentons une modification d’un algorithme de lagrangien augmenté pour l’optimisation avec contraintes d’égalité. La convergence quadratique du nouvel algorithme dans le cas non-réalisable est démontrée théoriquement et numériquement. La seconde partie est dédiée à l’extension du résultat précédent aux problèmes d’optimisation non linéaire généraux avec contraintes d’égalité et d’inégalité. Nous proposons une modification d’un algorithme de pénalisation mixte basé sur un lagrangien augmenté et une barrière logarithmique. Les résultats théoriques de l’analyse de convergence et quelques tests numériques montrent l’avantage du nouvel algorithme dans la détection de la non-réalisabilité. La troisième partie est consacrée à étudier le comportement local d’un algorithme primal-dual de points intérieurs pour l’optimisation sous contraintes de borne. L’analyse locale est effectuée sans l’hypothèse classique des conditions suffisantes d’optimalité de second ordre. Celle-ci est remplacée par une hypothèse plus faible basée sur la notion de borne d’erreur locale. Nous proposons une technique de régularisation de la jacobienne du système d’optimalité à résoudre. Nous démontrons ensuite des propriétés de bornitude de l’inverse de ces matrices régularisées, ce qui nous permet de montrer la convergence superlinéaire de l’algorithme. La dernière partie est consacrée à l’analyse de convergence locale de l’algorithme primal-dual qui est utilisé dans les deux premières parties de la thèse. En pratique, il a été observé que cet algorithme converge rapidement même dans le cas où les contraintes ne vérifient l’hypothèse de qualification de Mangasarian-Fromovitz. Nous démontrons la convergence superlinéaire et quadratique de cet algorithme, sans hypothèse de qualification des contraintes. / This thesis is devoted to the study of numerical algorithms for nonlinear optimization. On the one hand, we propose new strategies for the rapid infeasibility detection. On the other hand, we analyze the local behavior of primal-dual algorithms for the solution of singular problems. In the first part, we present a modification of an augmented Lagrangian algorithm for equality constrained optimization. The quadratic convergence of the new algorithm in the infeasible case is theoretically and numerically demonstrated. The second part is dedicated to extending the previous result to the solution of general nonlinear optimization problems with equality and inequality constraints. We propose a modification of a mixed logarithmic barrier-augmented Lagrangian algorithm. The theoretical convergence results and the numerical experiments show the advantage of the new algorithm for the infeasibility detection. In the third part, we study the local behavior of a primal-dual interior point algorithm for bound constrained optimization. The local analysis is done without the standard assumption of the second-order sufficient optimality conditions. These conditions are replaced by a weaker assumption based on a local error bound condition. We propose a regularization technique of the Jacobian matrix of the optimality system. We then demonstrate some boundedness properties of the inverse of these regularized matrices, which allow us to prove the superlinear convergence of our algorithm. The last part is devoted to the local convergence analysis of the primal-dual algorithm used in the first two parts of this thesis. In practice, it has been observed that this algorithm converges rapidly even in the case where the constraints do not satisfy the Mangasarian-Fromovitz constraint qualification. We demonstrate the superlinear and quadratic convergence of this algorithm without any assumption of constraint qualification.

L’objectif de ce mémoire est d’introduire une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) implicite purement lagrangienne, pour la résolution des équations de Navier- Stokes incompressibles bidimensionnelles en présence d’une surface libre. Notre schéma de discrétisation est basé sur celui de Kéou Noutcheuwa et Owens [19]. Nous avons traité la surface libre en combinant la méthode multiple boundary tangent (MBT) de Yildiz et al. [43] et les conditions aux limites sur les champs auxiliaires de Yang et Prosperetti [42]. Ce faisant, nous obtenons un schéma de discrétisation d’ordre $\mathcal{O}(\Delta t ^2)$ et $\mathcal{O}(\Delta x ^2)$, selon certaines contraintes sur la longueur de lissage $h$. Dans un premier temps, nous avons testé notre schéma avec un écoulement de Poiseuille bidimensionnel à l’aide duquel nous analysons l’erreur de discrétisation de la méthode SPH. Ensuite, nous avons tenté de simuler un problème d’extrusion newtonien bidimensionnel. Malheureusement, bien que le comportement de la surface libre soit satisfaisant, nous avons rencontré des problèmes numériques sur la singularité à la sortie du moule. / The objective of this thesis is to introduce a new implicit purely lagrangian smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, for the resolution of the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations in the presence of a free surface. Our discretization scheme is based on that of Kéou Noutcheuwa et Owens [19]. We have treated the free surface by combining Yildiz et al. [43] multiple boundary tangent (MBT) method and boundary conditions on the auxiliary fields of Yang et Prosperetti [42]. In this way, we obtain a discretization scheme of order $\mathcal{O}(\Delta t ^2)$ and $\mathcal{O}(\Delta x ^2)$, according to certain constraints on the smoothing length $h$. First, we tested our scheme with a two-dimensional Poiseuille flow by means of which we analyze the discretization error of the SPH method. Then, we tried to simulate a two-dimensional Newtonian extrusion problem. Unfortunately, although the behavior of the free surface is satisfactory, we have encountered numerical problems on the singularity at the output of the die.