L'analyse du comportement d'un solide ou de plusieurs solides à l'intérieur d'un fluide est un problème de longue date, que l'on peut voir décrit dans de nombreux manuels classiques d'hydrodynamique. Son étude d'un point de vue mathématique a suscité une attention croissante, en particulier au cours des 15 dernières années. Ce projet de recherche vise à mettre l'accent sur plusieurs aspects de cette analyse mathématique, en particulier sur le contrôle et les problèmes asymptotiques. Un modèle simple d'évolution fluide-solide est celui d'un seul corps rigide entouré d'un fluide incompressible parfait. Le fluide est modelé par les équations d'Euler, tandis que le solide évolue selon la loi de Newton et est influencé par la pression du fluide sur la limite. L'objectif de cette thèse de doctorat consisterait en diverses études dans cette branche et, en particulier, étudierait les questions de contrôlabilité de ce système, ainsi que des modèles de limite pour les solides minces qui convergent vers une courbe. Nous souhaitons également étudier le système de contrôle Navier-Stokes / solid d'une manière similaire au problème de contrôlabilité du système Euler / solid. Une autre direction pour ce projet de doctorat est d'obtenir une limite lorsque le solide se concentre dans une courbe. Est-il possible d'obtenir un modèle simplifié d'un objet mince évoluant dans un fluide parfait, de la même manière que des modèles simplifiés ont été obtenus pour des objets qui sont petits dans toutes les directions? Cela pourrait ouvrir la voie à des recherches futures sur la dérivation des flux de cristaux liquides comme limite du système décrivant l'interaction entre le fluide et un filet de tubes solides lorsque le diamètre des tubes converge à zéro. / The analysis of the behavior of a solid or several solids inside a fluid is a long-standing problem, that one can see described in many classical textbooks of hydrodynamics. Its study from a mathematical viewpoint has attracted a growing attention, in particular in the last 15 years. This research project aims at focusing on several aspect of this mathematical analysis, in particular on control and asymptotic issues. A simple model of fluid-solid evolution is that of a single rigid body surrounded by a perfect incompressible fluid. The fluid is modeled by the Euler equations, while the solid evolves according to Newton’s law, and is influenced by the fluid’s pressure on the boundary. The goal of this PhD thesis would consist in various studies in this branch, and in particular would investigate questions of controllability of this system, as well as limit models for thin solids converging to a curve. We would also like to study the Navier-Stokes/solid control system in a similar manner to the previously discussed controllability problem for the Euler/solid system. Another direction for this PhD project is to obtain a limit when the solid concentrates into a curve. Is it possible to obtain a simplified model of a thin object evolving in a perfect fluid, in the same way as simplified models were obtained for objects that are small in all directions? This could open the way to future investigations on derivation of liquid crystal flows as the limit of the system describing the interaction between the fluid and a net of solid tubes when the diameter of the tubes is converging to zero.

Les instabilités fluides peuvent dégrader le confinement du plasma au sein des tokamaks. Étant données les échelles spatio-temporelles, on choisit les modèles fluides obtenus à partir de la dérivation des modèles cinétiques. On dérive plusieurs modèles hiérarchiques de la MagnétoHydroDynamique (MHD) et en particulier les modèles de la MHD réduite du Current Hole et de l'équilibre de Grad-Shafranov. Une des difficulté de l'ensemble de ces modèles est de respecter l'équation modélisant l'absence de monopôles magnétiques. Pour assurer cette condition en tout point du domaine, le champ magnétique est réécrit avec un potentiel vecteur. L'utilisation de potentiels fait apparaître des équations faisant intervenir des dérivées d'ordre supérieurs. La stratégie numérique développée est l'utilisation de la méthode des éléments finis avec des éléments C1 de Bell. Sur un maillage non structuré, ces éléments ont l'intérêt de présenter une base réduite définir exclusivement avec des variables aux noeuds du maillage. Les modèles de MHD réduite du Current Hole et de Grad-Shafranov ont été résolus avec ces éléments. La résolution du cas test de Grad-Shafranov avec les conditions de bords exactes a permis d'obtenir l'ordre optimale de 5. La résolution du système du Current Hole avec ces éléments, validée par l'obtention du paramètre η1/3, a permis l'observation de développement d'instabilités en dents de scies. / Fluid instabilities can degrade plasma confinement in tokamaks. Given the spatial and temporal scales, we choose the fluid models obtained from the derivation of kinetic models. We derived several hierarchical models of MagnetoHydroDynamic (MHD) and in particular models of reduced MHD like the Current Hole and the Grad-Shafranov equilibrium. One of the difficulty of all these models is to respect the absence of magnetic monopoles equation. To ensure this condition at any point, the magnetic field is rewritten with a vector potential. The use of vector portential implies that higher order derivatives appear in the equation. The numerical strategy is developed using the finite element method with C1 Bell's elements. On a unstructured mesh, these have the advantage to present a reduced basis with degrees of freedom defined exclusively on the nodes of the mesh. The reduced MHD models of the Current Hole and Grad-Shafranov have thus been resolved with these elements. The resolution of a Grad-Shafranov test case with exact boundary conditions yields the optimal order of 5. The resolution of the Current Hole system with thesse elements has been validated by obtaining physical parameter η1/3 and allowed the observation of the development of sawtooth instabilities.

Les instabilités fluides peuvent dégrader le confinement du plasma au sein des tokamaks. Étant données les échelles spatio-temporelles, on choisit les modèles fluides obtenus à partir de la dérivation des modèles cinétiques. On dérive plusieurs modèles hiérarchiques de la MagnétoHydroDynamique (MHD) et en particulier les modèles de la MHD réduite du Current Hole et de l'équilibre de Grad-Shafranov. Une des difficulté de l'ensemble de ces modèles est de respecter l'équation modélisant l'absence de monopôles magnétiques. Pour assurer cette condition en tout point du domaine, le champ magnétique est réécrit avec un potentiel vecteur. L'utilisation de potentiels fait apparaître des équations faisant intervenir des dérivées d'ordre supérieurs. La stratégie numérique développée est l'utilisation de la méthode des éléments finis avec des éléments C1 de Bell. Sur un maillage non structuré, ces éléments ont l'intérêt de présenter une base réduite définir exclusivement avec des variables aux noeuds du maillage. Les modèles de MHD réduite du Current Hole et de Grad-Shafranov ont été résolus avec ces éléments. La résolution du cas test de Grad-Shafranov avec les conditions de bords exactes a permis d'obtenir l'ordre optimale de 5. La résolution du système du Current Hole avec ces éléments, validée par l'obtention du paramètre η1/3, a permis l'observation de développement d'instabilités en dents de scies.

Le sujet de la thèse porte sur l'étude d'une nouvelle classe de modèles de transport quantique: les modèles fluides quantiques issus du principe de minimisation d'entropie. Ces modèles ont été dérivés dans deux articles publiés en 2003 et 2005 par Degond, Méhats et Ringhofer dans Journal of Statistical Physics en adaptant au cadre de la théorie quantique la méthode des moments développée par Levermore dans le cadre classique. Cette méthode consiste à prendre les moments de l'équation de Liouville quantique et à fermer ce système par un équilibre local (ou Maxwellienne quantique) défini comme minimiseur d'une certaine entropie quantique sous contrainte de conservation de certaines quantités physiques comme la masse, le courant, et l'énergie. Le principal intérêt des modèles quantiques ainsi obtenus provient du fait qu'étant macroscopiques, ils sont biens moins coûteux numériquement que des modèles microscopiques comme l'équation de Schrödinger ou l'équation de Wigner, et de plus, ils prennent en compte implicitement des effets de collision bien plus difficiles à modéliser à un niveau microscopique. Le but de cette thèse est donc de proposer des méthodes numériques pour implémenter ces modèles et de les tester sur des dispositifs physiques adéquats.<br />Nous avons donc commencé dans le chapitre I par proposer une discrétisation du plus simple de ces modèles qu'est le modèle de Dérive-Diffusion Quantique sur un domaine fermé. Puis nous avons décidé dans le chapitre II et III d'appliquer ce modèle au transport d'électrons dans les semiconducteurs en choisissant comme dispositif ouvert la diode à effet tunnel résonnant. Ensuite nous nous sommes intéressés au chapitre IV à l'étude et l'implémentation du modèle d'Euler Quantique Isotherme, avant de s'attaquer aux modèles non isothermes dans le chapitre V avec l'étude des modèles d'Hydrodynamique Quantique et de Transport d'Énergie Quantique. Enfin, le chapitre VI s'intéresse à un problème un petit peu différent en proposant un schéma asymptotiquement stable dans la limite semi-classique pour l'équation de Schrödinger écrite dans sa formulation fluide: le système de Madelung.