<p>In this work, we proposed a spectral integral method (SIM)-spectral element method (SEM)- finite element method (FEM) domain decomposition method (DDM) for solving inhomogeneous multi-scale problems. The proposed SIM-SEM-FEM domain decomposition algorithm can efficiently handle problems with multi-scale structures, </p><p>by using FEM to model electrically small sub-domains and using SEM to model electrically large and smooth sub-domains. The SIM is utilized as an efficient boundary condition. This combination can reduce the total number of elements used in solving multi-scale problems, thus it is more efficient than conventional FEM or conventional FEM domain decomposition method. Another merit of the proposed method is that it is capable of handling arbitrary non-conforming elements. Both geometry modeling and mesh generation are totally independent for different sub-domains, thus the geometry modeling and mesh generation are highly flexible for the proposed SEM-FEM domain decomposition method. As a result, the proposed SIM-SEM-FEM DDM algorithm is very suitable for solving inhomogeneous multi-scale problems.</p> / Dissertation

Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur. / We tackle the development of a new generation of numerical methods for the solution of time dependent PDEs modeling general time/space multi-scale phenomena issued from various application fields. This type of problem induces well-known numerical restrictions and potentially large stiffness, which stem from the broad spectrum of time scales in the nonlinear chemical terms as well as from steep, spatially very localized, spatial gradients in the reaction fronts. Therefore, dedicated numerical strategies are needed to ensure the accuracy of the numerical approximations from a theoretical point of view, taking also into account adequate practical implementations to reduce computational costs. In order to cope with these problems, this study introduces a few mathematical and numerical elements for the solution of stiff reaction-diffusion systems, extensible in practice to more general configurations. The core of the numerical strategy is thus based on a specially conceived operator splitting method with dedicated high order time integration schemes for each subproblem. An appropriate choice of splitting time steps allows us the simulation of the solution within a prescribed accuracy, according to the overall physics of the problem. The resulting numerical scheme is properly coupled with an adaptive multiresolution technique for dynamic spatial mesh representations of the solution. Such an approach has led to the conception of the academic, generic 1D/2D/3D MBARETE code in order to evaluate the proposed theoretical and numerical developments in practical stiff configurations arising in several research fields. The algorithmic efficiency of the method is assessed by the simulation of propagating stiff reaction waves issued from nonlinear chemical dynamics and from biomedical engineering applications for a brain stroke model with "detailed chemical mechanisms''. Moreover, in order to extend the applicability of the method to more complex and unsteady problems, we consider for the first time a time adaptive splitting scheme for stiff PDEs, that yields dynamic time stepping within the prescribed accuracy. The fully time/space adaptive method allows us then a consistent description of reaction-diffusion-convection problems disclosing a broad spectrum of time/space scales as well as different physical scenarios, such as highly nanosecond repetitively pulsed discharges or self-ignition and propagation of flames for, respectively, plasma and combustion applications. The main goal of this work is hence to numerically solve stiff PDEs with reasonable, standard computational resources and based on a mathematical background that ensures robust, general and accurate numerical schemes. Further studies are also presented that include time parallelization strategies, parallel computing techniques for shared memory architectures and complementary mathematical characterization of splitting schemes.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Coarse-Graining (dt. ``Vergröberung", ``Zusammenfassung von Zuständen") für Gradientensysteme und Markov-Prozesse. Coarse-Graining ist ein etabliertes Verfahren in der Mathematik und in den Naturwissenschaften und hat das Ziel, die Komplexität eines physikalischen Systems zu reduzieren und effektive Modelle herzuleiten. Die mathematischen Probleme in dieser Arbeit stammen aus der Theorie der Systeme interagierender Teilchen. Hierbei werden zwei Ziele verfolgt: Erstens, Coarse-Graining mathematisch rigoros zu beweisen, zweitens, mathematisch äquivalente Beschreibungen für die effektiven Modelle zu formulieren. Die ersten drei Teile der Arbeit befassen sich mit dem Grenzwert schneller Reaktionen für Reaktionssysteme und Reaktions-Diffusions-Systeme. Um effektive Modelle herzuleiten, werden nicht nur die zugehörigen Reaktionsratengleichungen betrachtet, sondern auch die zugrunde liegende Gradientenstruktur. Für Gradientensysteme wurde in den letzten Jahren eine strukturelle Konvergenz, die sogenannte ``EDP-Konvergenz", entwickelt. Dieses Coarse-Graining-Verfahren wird in der vorliegenden Arbeit auf folgende Systeme mit langsamen und schnellen Reaktionen angewandt: lineare Reaktionssysteme (bzw. Markov-Prozesse auf endlichem Zustandsraum), nichtlineare Reaktionssysteme, die das Massenwirkungsgesetz erfüllen, und lineare Reaktions-Diffusions-Systeme. Für den Grenzwert schneller Reaktionen wird eine mathematisch rigorose und strukturerhaltende Vergröberung auf dem Level des Gradientensystems inform von EDP-Konvergenz bewiesen. Im vierten Teil wird der Zusammenhang zwischen Gleichungen mit Gedächtnis und Markov-Prozessen untersucht. Für Gleichungen mit Gedächtnisintegralen wird explizit ein größer Markov-Prozess konstruiert, der die Gleichung mit Gedächtnis als Teilsystem enthält. Der letzte Teil beschäftigt sich mit verschieden Diskretisierungen für den Fokker-Planck-Operator. Dazu werden numerische und analytische Eigenschaften untersucht. / This thesis deals with coarse-graining for gradient systems and Markov processes. Coarse-graining is a well-established tool in mathematical and natural sciences for reducing the complexity of a physical system and for deriving effective models. The mathematical problems in this work originate from interacting particle systems. The aim is twofold: first, providing mathematically rigorous results for physical coarse-graining, and secondly, formulating mathematically equivalent descriptions for the effective models. The first three parts of the thesis deal with fast-reaction limits for reaction systems and reaction-diffusion systems. Instead of deriving effective models by solely investigating the associated reaction-rate equation, we derive effective models using the underlying gradient structure of the evolution equation. For gradient systems a structural convergence, the so-called ``EDP-convergence", has been derived in recent years. In this thesis, this coarse-graining procedure has been applied to the following systems with slow and fast reactions: linear reaction systems (or Markov process on finite state space), nonlinear reaction systems of mass-action type, and linear reaction-diffusion systems. For the fast-reaction limit, we perform rigorous and structural coarse-graining on the level of the gradient system by proving EDP-convergence. In the fourth part, the connection between memory equations and Markov processes is investigated. Considering linear memory equations, which can be motivated from spatial homogenization, we explicitly construct a larger Markov process that includes the memory equation as a subsystem. The last part deals with different discretization schemes for the Fokker–Planck operator and investigates their analytical and numerical properties.