The numerics of hyperbolic conservation laws, e.g., the Euler equations of gas dynamics, shallow water equations and MHD equations, is non-trivial due to the convective terms being highly non-linear and equations being coupled. Many numerical methods have been developed to solve these equations, out of which central schemes and upwind schemes (such as Flux Vector Splitting methods, Riemann solvers, Kinetic Theory based Schemes, Relaxation Schemes etc.) are well known. The majority of the above mentioned schemes give rise to very dissipative solutions. In this thesis, we propose novel low dissipative numerical algorithms for some hyperbolic conservation laws representing fluid flows. Four different and independent numerical methods which give low diffusive solutions are developed and demonstrated. The first idea is to regulate the numerical diffusion in the existing dissipative schemes so that the smearing of solution is reduced. A diffusion regulator model is developed and used along with the existing methods, resulting in crisper shock solutions at almost no added computational cost. The diffusion regulator is a function of jump in Mach number across the interface of the finite volume and the average Mach number across the surface. The introduction of the diffusion regulator makes the diffusive parent schemes to be very accurate and the steady contact discontinuities are captured exactly. The model is demonstrated in improving the diffusive Local Lax-Friedrichs (LLF) (or Rusanov) method and a Kinetic Scheme. Even when employed together with accurate methods of Roe and Osher, improvement in solutions is demonstrated for multidimensional problems. The second method, a Central Upwind-Biased Scheme (CUBS), attempts to reorganize a central scheme such that information from irrelevant directions is largely reduced and the upwind biased information is retained. The diffusion co-efficient follows a new format unlike the use of maximum characteristic speed in the Local Lax-Friedrichs method and the scheme results in improved solutions of the flow features. The grid-aligned steady contacts are captured exactly with the reorganized format of diffusion co-efficient. The stability and positivity of the scheme are discussed and the procedure is demonstrated for its ability to capture all the features of solution for different flow problems. Another method proposed in this thesis, a Central Rankine-Hugoniot Solver, attempts to integrate more physics into the discretization procedure by enforcing a simplified Rankine-Hugoniot condition which describes the jumps and hence resolves steady discontinuities very accurately. Three different variants of the scheme, termed as the Method of Optimal Viscosity for Enhanced Resolution of Shocks (MOVERS), based on a single wave (MOVERS-1), multiple waves (MOVERS-n) and limiter based diffusion (MOVERS-L) are presented. The scheme is demonstrated for scalar Burgers equation and systems of conservation laws like Euler equations, ideal Magneto-hydrodynamics equations and shallow water equations. The new scheme uniformly improves the solutions of the Local Lax-Friedrichs scheme on which it is based and captures steady discontinuities either exactly or very accurately. A Grid-Free Central Solver, which does not require a grid structure but operates on any random distribution of points, is presented. The grid-free scheme is generic in discretization of spatial derivatives with the location of the mid-point between a point and its neighbor being used to define a relevant coefficient of numerical dissipation. A new central scheme based on convective-pressure splitting to solve for mid-point flux is proposed and many test problems are solved effectively. The Rankine-Hugoniot Solver, which is developed in this thesis, is also implemented in the grid-free framework and its utility is demonstrated. The numerical methods presented are solved in a finite volume framework, except for the Grid-Free Central Solver which is a generalized finite difference method. The algorithms developed are tested on problems represented by different systems of equations and for a wide variety of flow features. The methods presented in this thesis do not need any eigen-structure and complicated flux splittings, but can still capture discontinuities very accurately (sometimes exactly, when aligned with the grid lines), yielding low dissipative solutions. The thesis ends with a highlight on the importance of developing genuinely multidimensional schemes to obtain accurate solutions for multidimensional flows. The requirement of simpler discretization framework for such schemes is emphasized in order to match the efficacy of the popular dimensional splitting schemes.

The Standard Model of Elementary Particle Physics (SM) is the present theoryfor the elementary particles and their interactions and is a well-established theorywithin the physics community. The SM is a combination of Quantum Chromodynamics(QCD) and the Glashow{Weinberg{Salam (GWS) electroweak model. QCDis a theory for the strong force, whereas the GWS electroweak model is a theoryfor the weak and electromagnetic forces. This means that the SM describes allfundamental forces in Nature, except for the gravitational force. However, the SMis not a nal theory and some of its problems will be discussed in this thesis.In the rst part of this thesis, several properties of baryons are studied suchas spin structure, spin polarizations, magnetic moments, weak form factors, andnucleon quark sea isospin asymmetries, using the chiral quark model (QM). TheQM is an eective chiral eld theory developed to describe low energy phenomena of baryons, since perturbative QCD is not applicable at low energies. The resultsof the QM are in good agreement with experimental data.The second part of the thesis is devoted to the concept of quantum mechanicalneutrino oscillations. Neutrino oscillations can, however, not occur within the GWSelectroweak model. Thus, this model has to be extended in some way. All studiesincluding neutrino oscillation are done within three avor neutrino oscillationmodels. Both vacuum and matter neutrino oscillations are considered. Especially,global ts to all data of candidates for neutrino oscillations are presented and alsoan analytical formalism for matter enhanced three avor neutrino oscillations usingtime evolution operators is derived. Furthermore, investigations of matter eectswhen neutrinos traverse the Earth are included.The thesis begins with an introductory review of the QM and neutrino oscillationsand ends with the research results, which are given in the nine accompanyingscientic articles. / QC 20100616

Les exigences des derniers téléviseurs à grand angle et faible encombrement en terme de précision, ne sont pas totalement remplies par les codes de simulation classiques, qui sont lourds et dont le contenu est mal maîtrisé. Afin de disposer d'outils simples, rapides, et d'améliorer les connaissances physiques, la modélisation du faisceau d'électrons dans les canons a été adoptée, ainsi que la mise en place d'une méthode de mesure d'émittance.<br />Premièrement, nous présentons la création d'un modèle de génération de courant, analytique dans le cas de canons 2D, puis généralisé aux canons 3D de façon semi analytique. L'outil obtenu est simple (peu de paramètres physiques interviennent), rapide, et très précis, aux vues des comparaisons avec la mesure.<br />Puis, dans une deuxième partie plus expérimentale, nous décrivons la mise en place d'une méthode de mesure d'émittance du faisceau dans un plan des canons à électrons, qui est inspirée de la méthode des 3 gradients utilisée dans le domaine des accélérateurs de particules. De nombreux tests ont montré qu'elle était précise, robuste, et discriminante pour les différents canons.<br />Enfin, nous expliquons la modélisation analytique de la création du faisceau, tout d'abord en 2D, puis en généralisant au cas 3D. L'outil créé est précis, simple, et rapide. Nous avons également transporté le faisceau natif obtenu dans le canon jusqu'à l'écran pour le comparer à l'expérience.

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l'action d'un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à un champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l'équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L'aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un adimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε. Le premier chapitre de cette thèse est une introduction à la fusion contrôlée par confinement magnétique dans les Tokamaks. Le second chapitre est consacré à la théorie gyrocinétique géométrique. Cette théorie repose sur la géométrie différentielle et la dynamique des systèmes hamiltoniens. L'objectif est de faire une succession de changements de coordonnées afin de se ramener à un système proche du centre-guide historique dans lequel les expressions de la matrice de Poisson et du Hamiltonien permettent une réduction de la dimension des trajectoires. Le chapitre 3 met en pratique les mêmes techniques sur un autre problème, la modélisation paraxiale d'un faisceau de particules chargées. Le dernier chapitre est dédié à un schéma numérique basé sur un intégrateur exponentiel en vitesse. Ce schéma a pour objectif d'approcher numériquement des solutions fortement oscillantes avec une méthode Particle-In-Cell en utilisant un pas de temps beaucoup plus grand que la période d'oscillation rapide. Il est testé sur une équation de Vlasov linéaire ainsi que sur le système de Vlasov-Poisson.

Cette thèse contribue à la simulation numérique des écoulements d'un fluide compressible modélisé par les équations de Euler et Navier-Stokes: étude d'un schéma d'ordre élévé basé sur une matrice de masse, modélisation des écoulement turbulents compressibles à très haut Reynolds, développement des estimateurs et correcteurs d'erreurs a posteriori et a priori, et adaptation de maillage anisotrope pour les fonctionnelles d'observation. Concernant la prédiction des écoulements turbulents, on s'est intéressé aux modèles hybrides de type RANS/LES comportant les nouveautés suivantes: traitement des tourbillons de grande échelle utilisant la formulation VMS (Variational Multi-Scale) et du RANS employé sur la paroi sur une distance imposée via une zone de protection conçue afin d'éviter le phénomène assez commun apelé "grid induced model depletion". Le niveau de viscosité du modèle VMS-LES est de plus controllé par un procédé de double filtre dynamique. La seconde partie concerne l'adaptation de maillage anisotrope pour mieux observer une fontionnelle d'observation. Les estimations a priori sont réalises pour le modèle des équations d'Euler et Navier-Stokes en instationnaire en 2D et 3D. A partir de ces estimations on sait définir les maillages optimaux au cours du calcul instationnaire, en fonction de l'état et de l'état adjoint. Le système d'optimalité est discrétisé et résolu à l'aide d'une méthode de point fixe instationnaire global, comportant une stratégie de stockage/recalcul pour le couplage état/ état adjoint. Des applications à la propagation d'ondes de choc et d'ondes acoustiques sont présentées.

L'objet de la thèse est la détection électromagnétique non-itérative de petits objets enfouis. Le problème direct de diffraction est abordé en utilisant une formule asymptotique rigoureuse du champ diffracté par des inclusions dont la taille caractéristique est petite devant la longueur d'onde de leur illumination dans le milieu d'enfouissement. La prise en compte de la diffraction multiple dans le cas de deux inclusions sphériques est abordée grâce à un tenseur de polarisation spécifique qui est calculé dans un système approprié de coordonnées bisphériques. Le modèle de Foldy-Lax est aussi utilisé afin de prendre en compte le couplage entre plusieurs inclusions. Les simulations numériques montrent que cet effet de couplage ne peut être ressenti qu'en leurs voisinages immédiats. Une configuration d'enfouissement en demi-espace est aussi étudiée en détail. Les dyades de Green alors nécessaires sont calculées de manière exacte par "force brutale" numérique. Puis trois méthodes approchées de calcul des intégrales de Sommerfeld qui sont impliquées sont proposées, les simulations montrant qu'elles font gagner un temps de calcul significatif dans le calcul de ces dyades, tout en étant de précision convenable. La prise en compte du couplage entre une sphère et l'interface est aussi investiguée grâce à un tenseur de polarisation adéquat en coordonnées bisphériques (de facto, une des deux sphères dégénère en cette interface). A chaque fois, les champs diffractés simulés par la méthode asymptotique sont comparés à des champs obtenus par la méthode dite des dipôles couplés (CDM). Les résultats montrent que la méthode asymptotique fournit des valeurs du champ diffracté satisfaisantes tant que les tailles des inclusions restent assez petites devant la longueur d'onde. L'algorithme d'imagerie MUSIC est quant à lui utilisé pour détecter ces inclusions à partir de leur matrice de réponse multistatique (MSR) collectée via un réseau plan d'extension limitée de dipôles émetteurs-récepteurs idéaux. L'analyse des valeurs et des vecteurs singuliers de la matrice MSR montre qu'il existe une différence entre les données calculées par la méthode asymptotique et celles calculées par la méthode CDM. Mais cette différence ne persiste pas si l'on considère des données bruitées, même à relativement faible niveau de bruit. Dans les deux cas, MUSIC permet une estimation fiable de la position des inclusions, la notion de "super-localisation" étant en particulier discutée. Une méthode est par ailleurs proposée afin de détecter l'angle d'inclinaison d'un ellipsoïde incliné enfoui.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique des gaz à faible nombre de Mach. Le modèle étudié provient des équations de Navier-Stokes complètes lorsque le nombre de Mach tend vers zéro. On cherche à montrer que le problème de Cauchy correspondant est bien posé. Les cas visqueux et non visqueux sont tous deux considérés. Les coefficients physiques peuvent dépendre de la densité (ou de la température) inconnue. En articulier, nous prenons en compte les effets de onductivité thermique et on autorise de grandes variations d'entropie. Rappelons qu'en absence de diffusion thermique, la limite à faible nombre de Mach implique la condition d'incompressibilité. Dans le cadre étudié ici, en introduisant un nouveau champ de vitesses à divergence nulle, le système devient un couplage non linéaire entre une équation quasi-parabolique pour la densité et un système de type Navier-Stokes (ou Euler) pour la vitesse et la pression. \\\\ Pour le cas avec viscosité, on établit le résultat classique, à savoir qu'il existe une solution forte existant localement (resp. globalement) en temps pour des données initiales grandes (resp. petites). On considère ici le problème de Cauchy avec données initiales dans des espaces de Besov critiques. Lorsque les coefficients physiques du système vérifient une relation spéciale, le système se simplifie considérablement, et on peut alors établir qu'il existe des solutions faibles globales en temps à énergie finie. Par un argument d'unicité fort-faible, on en déduit que les solutions fortes à énergie finie existent pour tous les temps positifs en dimension deux. \\\\ Pour le cas sans viscosité, on montre d'abord le caractère bien posé dans des espaces de Besov limites, qui s'injectent dans l'espace des fonctions lipschitziennes. Des critères de prolongement et des estimations du temps de vie sont établis. Si l'on suppose la donnée initiale à énergie finie dans l'espace de Besov limite à exposant de Lebesgue infini, on a également un résultat d'existence locale. En dimension deux, le temps de vie tend vers l'infini quand la densité tend vers une constante positive. \\\\ Des estimations de produits et de commutateurs, ainsi que des estimations a priori pour les équations paraboliques et pour le système de Stokes (ou d'Euler) à coefficients variables, se trouvent dans l'annexe.Ces estimations reposent sur la théorie de Littlewood-Paley et le calcul paradifférentiel.

Cette thèse analyse le spectre d'opérateurs de Schrödinger avec champ magnétique constant dans des ouverts de type diédraux. Pour comprendre l'influence d'une arête courbe sur la première valeur propre de l'opérateur dans la limite semi-classique, il faut connaître le bas du spectre de l'opérateur de Schrödinger magnétique avec champ constant sur un dièdre infini. Par transformation de Fourier ce problème se ramène à l'étude d'une famille d'opérateurs à paramètre sur un secteur infini. On calcule le spectre essentiel de ces opérateurs sur le secteur et on montre que dans certains cas il y a des valeurs propres discrètes sous le spectre essentiel. Par comparaison avec des opérateurs de Sturm-Liouville singuliers sur le demi-axe on obtient des majorations du bas du spectre de l'opérateur sur le dièdre : pour un angle d'ouverture assez petit et certaines orientations du champ magnétique, celui-ci est strictement inférieur aux quantités spectrales issues du cas régulier. Finalement on applique ces résultats à l'opérateur de Schrödinger avec champ magnétique constant et petit paramètre dans des domaines bornés de l'espace possédant des arêtes courbes. Pour déterminer une asymptotique de la première valeur propre dans la limite semi-classique, on construit des quasi-modes près de l'arête à l'aide des fonctions propres du problème à paramètre sur le secteur. En utilisant une partition du domaine selon que l'on soit près de l'arête ou du bord régulier, on obtient le premier terme de l'asymptotique pour diverses orientations du champ magnétique et on montre dans certains cas que la première valeur propre est inférieure aux valeurs propres associées à des ouverts réguliers.

Ce travail comporte deux volets. Le premier concerne l'étude de défauts locaux dans des matériaux cristallins. Le chapitre 1 donne un bref panorama des principaux modèles utilisés en chimie quantique pour le calcul de structures électroniques. Dans le chapitre 2, nous présentons un modèle variationnel exact qui permet de décrire les défauts locaux d'un cristal périodique dans le cadre de la théorie de Thomas-Fermi-von Weiszäcker. Celui-ci est justifié à l'aide d'arguments de limite thermodynamique. On montre en particulier que les défauts modélisés par cette théorie ne peuvent pas être chargés électriquement. Les chapitres 3 et 4 de cette thèse traitent du phénomène de pollution spectrale. En effet, lorsqu'un opérateur est discrétisé, il peut apparaître des valeurs propres parasites, qui n'appartiennent pas au spectre de l'opérateur initial. Dans le chapitre 3, nous montrons que des méthodes d'approximation de Galerkin via une discrétisation en éléments finis pour approcher le spectre d'opérateurs de Schrödinger périodiques perturbés sont sujettes au phénomène de pollution spectrale. Par ailleurs, les vecteurs propres associés aux valeurs propres parasites peuvent être interprétés comme des états de surface. Nous prouvons qu'il est possible d'éviter ce problème en utilisant des espaces d'éléments finis augmentés, construits à partir des fonctions de Wannier associées à l'opérateur de Schrödinger périodique non perturbé. On montre également que la méthode dite de supercellule, qui consiste à imposer des conditions limites périodiques sur un domaine de simulation contenant le défaut, ne produit pas de pollution spectrale. Dans le chapitre 4, nous établissons des estimations d'erreur a priori pour la méthode de supercellule. En particulier, nous montrons que l'erreur effectuée décroît exponentiellement vite en fonction de la taille de la supercellule considérée. Un deuxième volet concerne l'étude d'algorithmes gloutons pour résoudre des problèmes de propagation d'incertitudes en grande dimension. Le chapitre 5 de cette thèse présente une introduction aux méthodes numériques classiques utilisées dans le domaine de la propagation d'incertitudes, ainsi qu'aux algorithmes gloutons. Dans le chapitre 6, nous prouvons que ces algorithmes peuvent être appliqués à la minimisation de fonctionnelles d'énergie fortement convexes non linéaires et que leur vitesse de convergence est exponentielle en dimension finie. Nous illustrons ces résultats par la résolution de problèmes de l'obstacle avec incertitudes via une formulation pénalisée

This thesis consists of six chapters. The first chapter gives an introduction to the field of low-dimensional magnetic and electronic systems and relevant numerical techniques. The recent developments in molecular magnets are highlighted. The numerical techniques are reviewed along with their advantages and disadvantages from the present perspective. Study of entanglement of a system can give a great insight into the system. At the last part of this chapter a general overview is given regarding entanglement, its measures and its significance in studying many-body systems. Chapter 2 deals with the technique that has been developed by us for the full symmetry adaptation of non-relativistic Hamiltonians. It is advantageous both computationally and physically/chemically to exploit both spin and spatial symmetries of a system. It has been a long-standing problem to target a state which has definite total spin and also belongs to a definite irreducible representation of a point group, particularly for non-Abelian point groups. A very general technique is discussed in this chapter which is a hybrid method based on valence-bond basis and the basis of the z-component of the total spin. This technique is not only applicable to a system with arbitrary site spins and belonging to any point group symmetry, it is also quite easy to implement computationally. To demonstrate the power of the method, it is applied to the molecular magnetic system, Cu6Fe8, with cubic symmetry. In chapter 3, the extension of the previous hybrid technique to electronic systems is discussed. The power of the method is illustrated by applying it to a model icosahedral half-filled electronic system. This model spans a huge Hilbert space (dimension 1,778,966) and is in the largest non-Abelian point group. All the eigenstates of the model are obtained using our technique. Chapter 4 deals with the thermodynamic properties of an important class of single-chain magnets (SCMs). This class of SCMs has alternate isotropic spin-1/2 units and anisotropic high spin units with the anisotropy axes being non-collinear. Here anisotropy is assumed to be large and negative, as a result, anisotropic units behave like canted spins at low temperatures; but even then simple Ising-type model does not capture the essential physics of the system due to quantum mechanical nature of the isotropic units. A transfer matrix (TM) method is developed to study statistical behavior of this class of SCMs. For the first time, it is also discussed in detail that how weak inter-chain interactions can be treated by a TM method. The finite size effect is also discussed which becomes important for low temperature dynamics. This technique is applied to a real helical chain magnet, which has been studied experimentally. In the fifth chapter a bipartite entanglement entropy of finite systems is studied using exact diagonalization techniques to examine how the entanglement changes in the presence of long-range interactions. The PariserParrPople model with long-range interactions is used for this purpose and corresponding results are com-pared with those for the Hubbard and Heisenberg models with short-range interactions. This study helps understand why the density matrix renormalization group (DMRG) technique is so successful even in the presence of long-range interactions in the PPP model. It is also investigated if the symmetry properties of a state vector have any significance in relation to its entanglement. Finally, an interesting observation is made on the entanglement profiles of different states, across the full energy spectrum, in comparison with the corresponding profile of the density of states. The entanglement can be localized between two noncomplementary parts of a many-body system by performing local measurements on the rest of the system. This localized entanglement (LE) depends on the chosen basis set of measurement (BSM). In this chapter six, an optimality condition for the LE is derived, which would be helpful in finding optimal values of the LE, besides, can also be of use in studying mixed states of a general bipartite system. A canonical way of localizing entanglement is further discussed, where the BSM is not chosen arbitrarily, rather, is fully determined by the properties of a system. The LE obtained in this way, called the localized entanglement by canonical measurement (LECM), is not only easy to calculate practically, it provides a nice way to define the entanglement length. For spin-1/2 systems, the LECM is shown to be optimal in some important cases. At the end of this chapter, some numerical results are presented for j1 −j2 spin model to demonstrate how the LECM behaves.