Les réseaux de distribution d’eau consistent en de grandes infrastructures réparties dans l’espace qui assurent la distribution d’eau potable en quantité et en qualité suffisantes. Les modèles mathématiques de ces systèmes sont caractérisés par un grand nombre de variables d’état et de paramètres dont la plupart sont incertains. Les temps de calcul peuvent s’avérer conséquents pour les réseaux de taille importante et la propagation d’incertitude par des méthodes de Monte Carlo. Par conséquent, les deux principaux objectifs de cette thèse sont l’étude des techniques de modélisation à ordre réduit par projection ainsi que la propagation spectrale des incertitudes des paramètres. La thèse donne tout d’abord un aperçu des méthodes mathématiques utilisées. Ensuite, les équations permanentes des réseaux hydrauliques sont présentées et une nouvelle méthode de calcul des sensibilités est dérivée sur la base de la méthode adjointe. Les objectifs spécifiques du développement de modèles d’ordre réduit sont l’application de méthodes basées sur la projection, le développement de stratégies d’échantillonnage adaptatives plus efficaces et l’utilisation de méthodes d’hyper-réduction pour l’évaluation rapide des termes résiduels non linéaires. Pour la propagation des incertitudes, des méthodes spectrales sont introduites dans le modèle hydraulique et un modèle hydraulique intrusif est formulé. Dans le but d’une analyse plus efficace des incertitudes des paramètres, la propagation spectrale est ensuite évaluée sur la base du modèle réduit. Les résultats montrent que les modèles d’ordre réduit basés sur des projections offrent un avantage considérable par rapport à l’effort de calcul. Bien que l’utilisation de l’échantillonnage adaptatif permette une utilisation plus efficace des états système pré-calculés, l’utilisation de méthodes d’hyper-réduction n’a pas permis d’améliorer la charge de calcul. La propagation des incertitudes des paramètres sur la base des méthodes spectrales est comparable aux simulations de Monte Carlo en termes de précision, tout en réduisant considérablement l’effort de calcul. / Water distribution systems are large, spatially distributed infrastructures that ensure the distribution of potable water of sufficient quantity and quality. Mathematical models of these systems are characterized by a large number of state variables and parameter. Two major challenges are given by the time constraints for the solution and the uncertain character of the model parameters. The main objectives of this thesis are thus the investigation of projection based reduced order modelling techniques for the time efficient solution of the hydraulic system as well as the spectral propagation of parameter uncertainties for the improved quantification of uncertainties. The thesis gives an overview of the mathematical methods that are being used. This is followed by the definition and discussion of the hydraulic network model, for which a new method for the derivation of the sensitivities is presented based on the adjoint method. The specific objectives for the development of reduced order models are the application of projection based methods, the development of more efficient adaptive sampling strategies and the use of hyper-reduction methods for the fast evaluation of non-linear residual terms. For the propagation of uncertainties spectral methods are introduced to the hydraulic model and an intrusive hydraulic model is formulated. With the objective of a more efficient analysis of the parameter uncertainties, the spectral propagation is then evaluated on the basis of the reduced model. The results show that projection based reduced order models give a considerable benefit with respect to the computational effort. While the use of adaptive sampling resulted in a more efficient use of pre-calculated system states, the use of hyper-reduction methods could not improve the computational burden and has to be explored further. The propagation of the parameter uncertainties on the basis of the spectral methods is shown to be comparable to Monte Carlo simulations in accuracy, while significantly reducing the computational effort.

Cette thèse de doctorat porte sur le calcul par la méthode des éléments finis du comportement dynamique de réservoirs élastiques précontraints contenant un liquide interne à surface libre. Nous considérons que la pression hydrostatique exercée par le fluide interne incompressible sur les parois flexibles du réservoir est à l’origine de grands déplacements, conduisant ainsi à un état d’équilibre non-linéaire géométrique. Le changement de raideur lié à cet état précontraint induit un décalage des fréquences de résonances du problème de vibrations linéaires couplées.L’objectif principal du travail est donc d’estimer, par des approches numériques précises et efficaces, l’influence des non-linéarités géométriques sur le comportement hydroélastique du système réservoir/liquide interne autour de différentes configurations d’équilibre. La méthodologie développée s’effectue en deux étapes. La première consiste à calculer l’état statique non-linéaire par une approche éléments finis lagrangienne totale. L’action du fluide sur la structure est ici modélisée par des forces suiveuses hydrostatiques. La deuxième étape porte sur le calcul des vibrations couplées linéarisées. Un modèle d’ordre réduit original est notamment proposé pour limiter les coûts de calcul associés à l’estimation de l’effet de masse ajoutée. Enfin, divers exemples sont proposés et comparés à des résultats de la littérature (issus de simulations numériques ou d’essais expérimentaux) pour montrer l’efficacité et la validité des différentes approches numériques développées dans ce travail. / This doctoral thesis focuses on the calculation by the finite element method of the dynamic behavior of prestressed elastic tanks containing an internal liquid with a free surface. We consider that the hydrostatic pressure exerted by the incompressible internal fluid on the flexible walls of the tank causes large displacements, thus leading to a geometric non-linear equilibrium state. The change of stiffness related to this prestressed state induces a shift in the resonance frequencies of the coupled linear vibration problem. The main objective of the work is therefore to estimate, through precise and efficient numerical approaches, the influence of geometric nonlinearities on the hydroelastic behavior of the reservoir/internal liquid system around different equilibrium configurations. The methodology developed is carried out in two stages. The first one consists in calculating the non-linear static state by a total Lagrangian finite element approach.The action of the fluid on the structure is modelled here by hydrostatic following forces. The second step is the calculation of linearized coupled vibrations. In particular, an original reduced order model is proposed to limit the calculation costs associated with the estimation of the added mass effect. Finally, various examples are proposed and compared with results from the literature (from numerical simulations or experimental tests) to show the effectiveness and validity of the different numerical approaches developed in this work.

Cette thèse concerne le développement, l'extension et l'application d'une formulation stochastique des équations de la mécanique des fluides introduite par Mémin (2014). La vitesse petite échelle, non-résolue, est modélisée au moyen d'un champ aléatoire décorrélé en temps. Cela modifie l'expression de la dérivée particulaire et donc les équations de la mécanique des fluides. Les modèles qui en découlent sont dénommés modèles sous incertitude de position. La thèse s'articulent autour de l'étude successive de modèles réduits, de versions stochastiques du transport et de l'advection à temps long d'un champ de traceur par une vitesse mal résolue. La POD est une méthode de réduction de dimension, pour EDP, rendue possible par l'utilisation d'observations. L'EDP régissant l'évolution de la vitesse du fluide est remplacée par un nombre fini d'EDOs couplées. Grâce à la modélisation sous incertitude de position et à de nouveaux estimateurs statistiques, nous avons dérivé et simulé des versions réduites, déterministe et aléatoire, de l'équation de Navier-Stokes. Après avoir obtenu des versions aléatoires de plusieurs modèles océaniques, nous avons montré numériquement que ces modèles permettaient de mieux prendre en compte les petites échelles des écoulements, tout en donnant accès à des estimés de bonne qualité des erreurs du modèle. Ils permettent par ailleurs de mieux rendre compte des évènements extrêmes, des bifurcations ainsi que des phénomènes physiques réalistes absents de certains modèles déterministes équivalents. Nous avons expliqué, démontré et quantifié mathématiquement l'apparition de petites échelles de traceur, lors de l'advection par une vitesse mal résolu. Cette quantification permet de fixer proprement des paramètres de la méthode d'advection Lagrangienne, de mieux le comprendre le phénomène de mélange et d'aider au paramétrage des simulations grande échelle en mécanique des fluides. / This thesis develops, analyzes and demonstrates several valuable applications of randomized fluid dynamics models referred to as under location uncertainty. The velocity is decomposed between large-scale components and random time-uncorrelated small-scale components. This assumption leads to a modification of the material derivative and hence of every fluid dynamics models. Through the thesis, the mixing induced by deterministic low-resolution flows is also investigated. We first applied that decomposition to reduced order models (ROM). The fluid velocity is expressed on a finite-dimensional basis and its evolution law is projected onto each of these modes. We derive two types of ROMs of Navier-Stokes equations. A deterministic LES-like model is able to stabilize ROMs and to better analyze the influence of the residual velocity on the resolved component. The random one additionally maintains the variability of stable modes and quantifies the model errors. We derive random versions of several geophysical models. We numerically study the transport under location uncertainty through a simplified one. A single realization of our model better retrieves the small-scale tracer structures than a deterministic simulation. Furthermore, a small ensemble of simulations accurately predicts and describes the extreme events, the bifurcations as well as the amplitude and the position of the ensemble errors. Another of our derived simplified model quantifies the frontolysis and the frontogenesis in the upper ocean. This thesis also studied the mixing of tracers generated by smooth fluid flows, after a finite time. We propose a simple model to describe the stretching as well as the spatial and spectral structures of advected tracers. With a toy flow but also with satellite images, we apply our model to locally and globally describe the mixing, specify the advection time and the filter width of the Lagrangian advection method, as well as the turbulent diffusivity in numerical simulations.