Ce travail a porté principalement sur le développement et l'étude de méthodes numériques de type éléments finis multi-échelles pour un problème d'advection diffusion multi-échelles dominé par l'advection. Deux types d'approches sont envisagées: prendre en compte l'advection dans la construction de l'espace d'approximation, ou appliquer une méthode de stabilisation. On commence par l'étude d'un problème d'advection diffusion, dominé par l'advection, dans un milieu hétérogène. On poursuit sur des problèmes d'advection-diffusion, sous le régime où l'advection domine, posés dans un domaine perforé. On se focalise ici sur la condition aux bords de type Crouzeix Raviart pour la construction des éléments finis multi-échelles. On considère deux situations différentes selon la condition prescrite au bord des perforations: la condition de Dirichlet homogène ou la condition de Neumann homogène. Cette étude repose sur une hypothèse de coercivité.Pour finir, on se place dans un cadre général où l'opérateur d'advection-diffusion est non coercif, possiblement dominé par l'advection. On propose une approche éléments finis basée sur une mesure invariante associée à l'opérateur adjoint. Cette approche est bien posée inconditionnellement en la taille du maillage. On la compare numériquement à une méthode standard de stabilisation / This work essentially deals with the development and the study of multiscale finite element methods for multiscale advection-diffusion problems in the advection-dominated regime. Two types of approaches are investigated: Take into account the advection in the construction of the approximation space, or apply a stabilization method. We begin with advection-dominated advection-diffusion problems in heterogeneous media. We carry on with advection-dominated advection-diffusion problems posed in perforated domains.Here, we focus on the Crouzeix-Raviart type boundary condition for the construction of the multiscale finite elements. We consider two different situations depending on the condition prescribed on the boundary of the perforations: the homogeneous Dirichlet condition or the homogeneous Neumann condition. This study relies on a coercivity assumption.Lastly, we consider a general framework where the advection-diffusion operator is not coercive, possibly in the advection-dominated regime. We propose a Finite Element approach based on the use of an invariant measure associated to the adjoint operator. This approach is unconditionally well-posed in the mesh size. We compare it numerically to a standard stabilization method

L’étude des écoulements souterrains et l’ingénierie réservoir partagent le même intérêt pour la simulation d’écoulement multiphasique dans des sols aux propriétés intrinsèquement hétérogènes. Elles rencontrent également les mêmes défis pour construire un modèle à l’échelle réservoir en partant de données micrométriques tout en contrôlant la perte d’informations. Ce procédé d’upscaling est utile pour rendre les simulations faisables et répétables dans un cadre stochastique. Deux processus de mise à l’échelle sont définis: l’un depuis l’échelle micrométrique jusqu’à l’échelle de Darcy, et, un autre depuis l’échelle de Darcy vers l’échelle du réservoir. Dans cette thèse, un nouvel algorithme traitant du second upscaling Finite Volume Mixed Hybrid Multiscale Method (FV-MHMM) est étudié. L’extension au diphasique est faite au moyen d’un couplage séquentiel faible entre saturation et pression grâce à une méthode de type IMPES. / The groundwater specialists and the reservoir engineers share the same interest in simulating multiphase flow in soil with heterogeneous intrinsic properties. They also both face the challenge of going from a well-modeled micrometer scale to the reservoir scale with a controlled loss of information. This upscaling process is indeed worthy to make simulation over an entire reservoir manageable and stochastically repeatable. Two upscaling steps can be defined: one from the micrometer scale to the Darcy scale, and another from the Darcy scale to the reservoir scale. In this thesis, a new second upscaling multiscale algorithm Finite Volume Mixed Hybrid Multiscale Methods (Fv-MHMM) is investigated. Extension to a two-phase flow system is done by weakly and sequentially coupling saturation and pressure via IMPES-like method.

Dans cette thèse nous introduisons une approche nouvelle pour la reconstruction d’un front d’ondes en Optique Adaptative (OA), à partir des données de gradients à basse résolution en provenance de l’analyseur de front d’ondes, et en utilisant une approche non-linéaire issue du Formalisme Multiéchelles Mi-crocanonique (FMM). Le FMM est issu de concepts établis en physique statistique, il est naturellement approprié à l’étude des propriétés multiéchelles des signaux naturels complexes, principalement grâce à l’estimation numérique précise des exposants critiques localisés géométriquement, appelés exposants de singularité. Ces exposants quantifient le degré de prédictabilité localement en chaque point du domaine du signal, et ils renseignent sur la dynamique du système associé. Nous montrons qu’une analyse multirésolution opérée sur les exposants de singularité d’une phase turbulente haute résolution (obtenus par modèle ou à partir des données) permet de propager, le long des échelles, les gradients en basse résolution issus de l’analyseur du front d’ondes jusqu’à une résolution plus élevée. Nous comparons nos résultats à ceux obtenus par les approches linéaires, ce qui nous permet de proposer une approche novatrice à la reconstruction de fronts d’onde en Optique Adaptative. / In this thesis, we introduce a new approach to wavefront phase reconstruction in Adaptive Optics (AO) from the low-resolution gradient measurements provided by a wavefront sensor, using a non-linear approach derived from the Microcanonical Multiscale Formalism (MMF). MMF comes from established concepts in statistical physics, it is naturally suited to the study of multiscale properties of complex natural signals, mainly due to the precise numerical estimate of geometrically localized critical exponents, called the singularity exponents. These exponents quantify the degree of predictability, locally, at each point of the signal domain, and they provide information on the dynamics of the associated system. We show that multiresolution analysis carried out on the singularity exponents of a high-resolution turbulent phase (obtained by model or from data) allows a propagation along the scales of the gradients in low-resolution (obtained from the wavefront sensor), to a higher resolution. We compare our results with those obtained by linear approaches, which allows us to offer an innovative approach to wavefront phase reconstruction in Adaptive Optics.

La durabilité des structures en béton est désormais intégrée dans la démarche de conception des ouvrages de Génie Civil. En effet, quel que soit le type de sollicitation (mécanique, thermique, hydrique) une fissuration est susceptible de se produire risquant d'impacter la durée de vie de l'ouvrage par la pénétration d'agents agressifs. L'aptitude au service peut elle-même être affectée pour les structures où une étanchéité est requise (enceinte de confinement de centrales nucléaires, réservoirs de gaz naturel liquéfié, barrages, stockages des déchets radioactifs ou de CO2, etc.). Dans ce contexte industriel, la prédiction du débit de fuite traversant des éléments composés de matériaux à base cimentaire est donc un enjeu scientifique et industriel majeur. Pour parvenir à cet objectif de simulation numérique, il est nécessaire de mettre en place un couplage hydro-mécanique. L'anisotropie de la fissuration induite par les sollicitations mécaniques complexes conduit à un tenseur de perméabilité macroscopique anisotrope. La détermination de ce tenseur est un enjeu important dans l'objectif de mener des calculs à l'échelle macroscopique avec des modèles phénoménologiques. De plus, les calculs de perméabilité sont un moyen de comparer les volumes fissurés obtenus par les différents modèles mécaniques. La modélisation de la fissuration pour les matériaux quasi-fragiles hétérogènes à l'échelle mésoscopique tels que le béton est complexe et suivant les approches utilisées, les résultats peuvent fortement varier. C'est pourquoi l'étude numérique proposée dans la thèse comporte une comparaison entre deux approches mécaniques : - une première basée sur une modélisation mécanique de type E-FEM (Embedded Finite Element Method) [Benkemoun et al., 2010] - - une seconde basée sur une modélisation mécanique d'endommagement [Mazars, 1984] régularisée en énergie de fissuration [Hillerborg et al., 1976]. Le travail numérique associé à cette thèse consiste donc à développer un modèle couplant de manière faible un modèle mécanique à un modèle de transfert en 3D à l'échelle mésoscopique. En se basant sur le concept de « double porosité », la perméabilité du milieu fissuré est vue comme la combinaison d'une perméabilité diffuse et isotrope (liée au réseau poreux initial du béton et à son degré de saturation) et d'une perméabilité « discrète » et orientée au sein des fissures (le calcul de cette dernière étant basé sur les ouvertures de fissures données par le modèle mécanique et sur les équations de la mécanique des Navier-Stokes en régime permanent). La comparaison des résultats obtenus sur différents résultats expérimentaux issus de la littérature (un tirant traversé par de l'eau [Desmettre et Charron, 2011] et un élément structurel traversé par de l'air sec [Nahas et al., 2014]) permet de comparer la pertinence des deux modèles mécaniques utilisés ainsi que l'approche utilisée pour estimer le débit traversant des éléments en béton fissurés. / The durability of concrete structures is nowadays fully integrated in the civil engineering constructions design process. Whatever the loading is (mechanical, thermic, hydric), cracks may appear and impact the structure lifespan by the infiltration of aggressive agents. The serviceability can be directly impacted for the structures playing an air/water tightness role (containment building nuclear power plants, liquefied natural gas storage tanks, dams, radioactive waste disposal, etc.). The prediction of the flow going through elements composed of a cementitious material is therefore a major scientific and industrial issue. To achieve this goal, a hydro-mechanical coupling must be implemented. The anisotropic cracking induced by complex mechanical loadings leads to an anisotropic macroscopic permeability tensor. This tensor computation is an important issue dealing with phenomenological models for macroscopic problems. The cracking modelling of quasi-brittle materials, heterogeneous at the mesoscopic scale like concrete, is complex and different mechanical approaches can lead to various results. Therefore, permeability calculations are an elegant way to examine cracking patterns obtained with several mechanical models. Consequently, this study compares two mechanical approaches: - the first one is based on an Embedded Finite Element Method (E-FEM) mechanical model [Benkemoun et al., 2010] - - the second one is based on a damage mechanical model [Mazars, 1984] regularised by the fracture energy of the material [Hillerborg et al., 1976]. This thesis presents a hydro-mechanical approach weakly coupling a mechanical model with a permeation model in 3D at the mesoscopic scale. This work is based on the “double porosity” concept splitting the permeability into two parts: the first one is isotropic and corresponds to flows within the porosity of the material- the second one, based upon a set of cracks with different orientations and openings, is anisotropic. For the latter, each crack is a path for mass flow according to the fluid laws considering two infinite planes. In order to check this approach relevance, numerical results are compared to experimental results extracted from the literature (an experiment where water goes through a specimen made of a steel reinforcing bar covered with concrete under load [Desmettre et Charron, 2011] and a device where dry air goes through a structural element made of reinforced concrete [Nahas et al., 2014]). The computation of the flow going to those cracked concrete elements helps to understand the presented approach efficiency and the differences between the two used mechanical models.