Notre but est de proposer un modèle mathématique d'un matériau composite aléatoirement renforcé de type TexSol (un mélange sable-fil). Pour cela nous effectuons une étude asymptotique variationnelle afin d'obtenir une structure homogène et déterministe rendant compte du comportement mécanique de ce matériau. La stratégie de modélisation consiste à découper (suivant une direction x3) un cube de TexSol en fines plaques d'épaisseur h(ε) dépendant d'un très petit paramètre ε << 1. Pour h(ε) assez petit, nous supposerons que dans chaque plaque les fibres sont verticales. Notre problème initial est alors décomposé en n modèles de type plaque donnant une formulation 2-dimensionnelle après passage à la limite. Le modèle obtenu est déterministe. Puis, en utilisant ce résultat pour chacune des plaques, on obtient ainsi une énergie discrète (suivant x3), somme des n énergies 2-dimensionnelles homogènes et déterministes. Nous reconstruisons alors une structure 3D par une intégration variationnelle en x3, i.e. en passant à la limite en n de manière variationnelle. L'énergie limite, homogène et déterministe ainsi obtenue est proposée comme un modèle du TexSol. Nos différents résultats sont validés par une étude numérique.

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

Ma recherche se situe dans le cadre de l'analyse harmonique et fonctionnelle avec des applications en théorie du contrôle. Le fil conducteur de mes travaux est le calcul fonctionnel ainsi que les estimations de fonctions carrées associées. Mes travaux concernent les thèmes ci-dessous : a) calcul fonctionnel H1 et estimations de fonctions carrées, b) applications des estimations de fonctions carrées au probl eme de Cauchy stochastique, c) résultats de perturbation pour des opérateurs (R) sectoriels, d) admissibilité et observabilité d'opérateurs de contrôle et d'observation, e) applications aux equations non-autonomes ou non-linéaires, en particulier aux équations de type Volterra et aux équations de Navier-Stokes, f) liens entre la théorie du contrôle et les mesures de Carleson.

Nous nous intéressons dans cette thèse à la théorie cinétique et aux systèmes de particules dans le cadre des équations de Boltzmann et Landau. Premièrement, nous étudions la dérivation des équations cinétiques comme des limites de champ moyen des systèmes de particules, en utilisant le concept de propagation du chaos. Plus précisément, nous étudions les probabilités chaotiques sur l'espace de phase de ces systèmes de particules : la sphère de Boltzmann, qui correspond à l'espace de phase d'un système de particules qui évolue conservant le moment et l'énergie ; et la sphère de Kac, correspondant à un système de particules qui conserve seulement l'énergie. Ensuite, nous nous intéressons à la propagation du chaos, avec des estimations quantitatives et uniforme en temps, pour les équations de Boltzmann et Landau. Deuxièmement, nous étudions le comportement asymptotique en temps grand des solutions de l'équation de Landau.

We investigate the biological constraints determined by the complex relationships between ecological and immunological processes of host-pathogen interactions, with emphasis on influenza viruses in human, which are responsible for a number of pandemics in the last 150 years. We begin by discussing prolegomenous reviews of historical perspectives on the use of theoretical modelling as a complementary tool in public health and epidemiology, current biological background motivating the objective of the thesis, and derivations of mathematical models of multi-locus-allele systems for infectious diseases with co-circulating serotypes. We provide detailed analysis of the multi-locus-allele model and its age-specific extension. In particular, we establish the necessary conditions for the local asymptotic stability of the steady states and the existence of oscillatory behaviours. For the age-structured model, results on the existence of a mild solution and stability conditions are presented. Numerical studies of various strain spaces show that the dynamic features are preserved. Specifically, we demonstrate that discrete antigenic forms of pathogens can exhibit three distinct dynamic features, where antigenic variants (i) fully self-organize and co-exist with no strain structure (NSS), (ii) sort themselves into discrete strain structure (DSS) with non-overlapping or minimally overlapping clusters under the principle of competitive exclusion, or (iii) exhibit cyclical strain structure (CSS) where dominant antigenic types are cyclically replaced with sharp epidemics dominated by (1) a single strain dominance with irregular emergence and re-emergence of certain pathogenic forms, (2) ordered alternating appearance of a single antigenic type in periodic or quasi-periodic form similar to periodic travelling waves, (3) erratic appearance and disappearance of synchrony between discrete antigenic types, and (4) phase-synchronization with uncorrelated amplitudes. These analyses allow us to gain insight into the age-specific immunological profile in order to untangle the effects of strain structures as captured by the clustering behaviours, and to provide public health implications. The age-structured model can be used to investigate the effect of age-specific targeting for public health purposes.

This thesis details the development, verification and validation of an unsteady unstructured high order (≥ 3) h/p Discontinuous Galerkin - Fourier solver for the incompressible Navier-Stokes equations on static and rotating meshes in two and three dimensions. This general purpose solver is used to provide insight into cross-flow (wind or tidal) turbine physical phenomena. Simulation of this type of turbine for renewable energy generation needs to account for the rotational motion of the blades with respect to the fixed environment. This rotational motion implies azimuthal changes in blade aero/hydro-dynamics that result in complex flow phenomena such as stalled flows, vortex shedding and blade-vortex interactions. Simulation of these flow features necessitates the use of a high order code exhibiting low numerical errors. This thesis presents the development of such a high order solver, which has been conceived and implemented from scratch by the author during his doctoral work. To account for the relative mesh motion, the incompressible Navier-Stokes equations are written in arbitrary Lagrangian-Eulerian form and a non-conformal Discontinuous Galerkin (DG) formulation (i.e. Symmetric Interior Penalty Galerkin) is used for spatial discretisation. The DG method, together with a novel sliding mesh technique, allows direct linking of rotating and static meshes through the numerical fluxes. This technique shows spectral accuracy and no degradation of temporal convergence rates if rotational motion is applied to a region of the mesh. In addition, analytical mappings are introduced to account for curved external boundaries representing circular shapes and NACA foils. To simulate 3D flows, the 2D DG solver is parallelised and extended using Fourier series. This extension allows for laminar and turbulent regimes to be simulated through Direct Numerical Simulation and Large Eddy Simulation (LES) type approaches. Two LES methodologies are proposed. Various 2D and 3D cases are presented for laminar and turbulent regimes. Among others, solutions for: Stokes flows, the Taylor vortex problem, flows around square and circular cylinders, flows around static and rotating NACA foils and flows through rotating cross-flow turbines, are presented.