A Lagrangian particle model was applied to estimating emission strength and air pollutant concentrations specifically for the short-range dispersion of an air pollutant in the atmospheric boundary layer. The model performance was evaluated with experimental data. The model was then used as the platform of parametric uncertainty analysis, in which effects of uncertainties in five parameters (Monin-Obukhov length, friction velocity, roughness height, mixing height, and the universal constant of the random component) of the model on mean ground-level concentrations were examined under slightly and moderately stable conditions. The analysis was performed under a probabilistic framework using Monte Carlo simulations with Latin hypercube sampling and linear regression modeling. In addition, four studies related to the Lagrangian particle modeling was included. They are an alternative technique of formulating joint probability density functions of velocity for atmospheric turbulence based on the Koehler-Symanowski technique, analysis of local increments in a multidimensional single-particle Lagrangian particle model using the algebra of Ito integrals and the Wagner-Platen formula, analogy between the diffusion limit of Lagrangian particle models and the classical theory of turbulent diffusion, and evaluation of some proposed forms of the Lagrangian velocity autocorrelation of turbulence.

It is currently a well-established fact that the dynamics of interacting fluid compartments of the central nervous system (CNS) may play a role in the CNS fluid physiology and pathology of a number of neurological disorders, including neurodegenerative diseases associated with accumulation of waste products in the brain. However, the mechanisms and routes of waste clearance from the brain are still unclear. One of the main components of this interacting cerebral fluids dynamics is blood flow. In the last decades, mathematical modeling and fluid dynamics simulations have become a valuable complementary tool to experimental approaches, contributing to a deeper understanding of the circulatory physiology and pathology. However, modeling blood flow in the brain remains a challenging and demanding task, due to the high complexity of cerebral vascular networks and the difficulties that consequently arise to describe and reproduce the blood flow dynamics in these vascular districts. The first part of this work is devoted to the development of efficient numerical strategies for blood flow simulations in complex vascular networks. In cardiovascular modeling, one-dimensional (1D) and lumped-parameter (0D) models of blood flow are nowadays well-established tools to predict flow patterns, pressure wave propagation and average velocities in vascular networks, with a good balance between accuracy and computational cost. Still, the purely 1D modeling of blood flow in complex and large networks can result in computationally expensive simulations, posing the need for extremely efficient numerical methods and solvers. To address these issues, we develop a novel modeling and computational framework to construct hybrid networks of coupled 1D and 0D vessels and to perform computationally efficient and accurate blood flow simulations in such networks. Starting from a 1D model and a family of nonlinear 0D models for blood flow, with either elastic or viscoelastic tube laws, this methodology is based on (i) suitable coupling equations ensuring conservation principles; (ii) efficient numerical methods and numerical coupling strategies to solve 1D, 0D and hybrid junctions of vessels; (iii) model selection criteria to construct hybrid networks, which provide a good trade-off between accuracy in the predicted results and computational cost of the simulations. By applying the proposed hybrid network solver to very complex and large vascular networks, we show how this methodology becomes crucial to gain computational efficiency when solving networks and models where the heterogeneity of spatial and/or temporal scales is relevant, still ensuring a good level of accuracy in the predicted results. Hence, the proposed hybrid network methodology represents a first step towards a high-performance modeling and computational framework to solve highly complex networks of 1D-0D vessels, where the complexity does not only depend on the anatomical detail by which a network is described, but also on the level at which physiological mechanisms and mechanical characteristics of the cardiovascular system are modeled. Then, in the second part of the thesis, we focus on the modeling and simulation of cerebral blood flow, with emphasis on the venous side. We develop a methodology that, departing from the high-resolution MRI data obtained from a novel in-vivo microvascular imaging technique of the human brain, allows to reconstruct detailed subject-specific cerebral networks of specific vascular districts which are suitable to perform blood flow simulations. First, we extract segmentations of cerebral districts of interest in a way that the arterio-venous separation is addressed and the continuity and connectivity of the vascular structures is ensured. Equipped with these segmentations, we propose an algorithm to extract a network of vessels suitable and good enough, i.e. with the necessary properties, to perform blood flow simulations. Here, we focus on the reconstruction of detailed venous vascular networks, given that the anatomy and patho-physiology of the venous circulation is of great interest from both clinical and modeling points of view. Then, after calibration and parametrization of the MRI-reconstructed venous networks, blood flow simulations are performed to validate the proposed methodology and assess the ability of such networks to predict physiologically reasonable results in the corresponding vascular territories. From the results obtained we conclude that this work represents a proof-of-concept study that demonstrates that it is possible to extract subject-specific cerebral networks from the novel high-resolution MRI data employed, setting the basis towards the definition of an effective processing pipeline for detailed blood flow simulations from subject-specific data, to explore and quantify cerebral blood flow dynamics, with focus on venous blood drainage.

Cette thèse traite de deux sujets: la résolubilité forte d'équations différentielles stochastiques à dérive hölderienne et bruit hypoelliptique et la simulation de processus progressifs-rétrogrades découplés de McKean-Vlasov. Dans le premier cas, on montre qu'un système hypoelliptique, composé d'une composante diffusive et d'une composante totalement dégénérée, est fortement résoluble lorsque l'exposant de la régularité Hölder de la dérive par rapport à la composante dégénérée est strictement supérieur à 2/3. Ce travail étend au cadre dégénéré les travaux antérieurs de Zvonkin (1974), Veretennikov (1980) et Krylov et Röckner (2005). L'apparition d'un seuil critique pour l'exposant peut-être vue comme le prix à payer pour la dégénérescence. La preuve repose sur des résultats de régularité de la solution de l'EDP associée, qui est dégénérée, et est basée sur une méthode parametrix. Dans le second cas, on propose un algorithme basé sur les méthodes de cubature pour la simulation de processus progessifs-rétrogrades découplés de McKean-Vlasov apparaissant dans des problèmes de contrôle dans un environnement de type champ moyen. Cet algorithme se divise en deux parties. Une première étape de construction d'un arbre de particules, à dynamique déterministe, approchant la loi de la composante progressive. Cet arbre peut être paramétré de manière à obtenir n'importe quel ordre d'approximation (en terme de pas de discrétisation de l'intervalle). Une seconde étape, conditionnelle à l'arbre, permettant l'approximation de la composante rétrograde. Deux schémas explicites sont proposés permettant un ordre d'approximation de 1 et 2. / This thesis deals with two subjects: the strong well-posedness of stochastic differential equations with Hölder drift and hypoelliptic noise and the simulation of decoupled forward backward stochastic differential equations of McKean-Vlasov type. In the first work, we study a class of degenerate system with hypoelliptic noise. We prove that strong well-posedness holds for this system when the drift is only H\"{o}lder, with Hölder exponent larger than the critical value 2/3. This work extends to the degenerate setting the earlier results obtained by Zvonkin (1974), Veretennikov (1980) and Krylov and Röckner (2005). The existence of a threshold for the Hölder exponent in the degenerate case may be understood as the price to pay to balance the degeneracy of the noise. Our proof relies on regularization properties of the associated PDE, which is degenerate in the current framework and is based on a parametrix method. In the second work, we propose a new algorithm to approach weakly the solution of a McKean-Vlasov stochastic differential equation. Based on the cubature method, the algorithm is deterministic differing from the usual methods based on interacting particles. It can be parametrized in order to obtain a given order of convergence. Then, we construct implementable algorithms to solve decoupled forward backward stochastic differential equations of McKean-Vlasov type, which appear in some stochastic control problems in a mean field environment. We give two algorithms and show that they have convergence of orders one and two under appropriate regularity conditions.

Cette thèse est composée de deux parties dans lesquelles nous étudions d'une part des estimations d'erreurs pour des schémas numériques associés à des équations de Hamilton-Jacobi du premier ordre. D'autre part, nous nous intéressons a l'étude de la stabilité et de la contrôlabilité exacte frontière indirecte des équations d'onde couplées.Dans un premier temps, en utilisant la technique de Crandall-Lions, nous établissons une estimation d'erreur d'un schéma numérique monotone aux différences finies pour des conditions de jonction dites a flux limité, pour une équation de Hamilton-Jacobi du premier ordre. Ensuite, nous montrons que ce schéma numérique peut être généralisé à des conditions de jonction générales. Nous établissons alors la convergence de la solution discrétisée vers la solution de viscosité du problème continu. Enfin, nous proposons une nouvelle approche, à la Crandall-Lions, pour améliorer les estimations d'erreur déjà obtenues, pour une classe des Hamiltoniens bien choisis. Cette approche repose sur l'interprétation du type contrôle optimal de l'équation de Hamilton-Jacobi considérée.Dans un second temps, nous étudions la stabilisation et la contrôlabilité exacte frontière indirecte d'un système monodimensionnel d’équations d'ondes couplées. D'abord, nous considérons le cas d'un couplage avec termes de vitesses, et par une méthode spectrale, nous montrons que le système est exactement contrôlable moyennant un seul contrôle à la frontière. Les résultats dépendent de la nature arithmétique du quotient des vitesses de propagation et de la nature algébrique du terme de couplage. De plus, ils sont optimaux. Ensuite, nous considérons le cas d'un couplage d'ordre zéro et nous établissons un taux polynômial optimal de la décroissance de l'énergie. Enfin, nous montrons que le système est exactement contrôlable moyennant un seul contrôle à la frontière / The aim of this work is mainly to study on the one hand a numerical approximation of a first order Hamilton-Jacobi equation posed on a junction. On the other hand, we are concerned with the stability and the exact indirect boundary controllability of coupled wave equations in a one-dimensional setting.Firstly, using the Crandall-Lions technique, we establish an error estimate of a finite difference scheme for flux-limited junction conditions, associated to a first order Hamilton-Jacobi equation. We prove afterwards that the scheme can generally be extended to general junction conditions. We prove then the convergence of the numerical solution towards the viscosity solution of the continuous problem. We adopt afterwards a new approach, using the Crandall-Lions technique, in order to improve the error estimates for the finite difference scheme already introduced, for a class of well chosen Hamiltonians. This approach relies on the optimal control interpretation of the Hamilton-Jacobi equation under consideration.Secondly, we study the stabilization and the indirect exact boundary controllability of a system of weakly coupled wave equations in a one-dimensional setting. First, we consider the case of coupling by terms of velocities, and by a spectral method, we show that the system is exactly controllable through one single boundary control. The results depend on the arithmetic property of the ratio of the propagating speeds and on the algebraic property of the coupling parameter. Furthermore, we consider the case of zero coupling parameter and we establish an optimal polynomial energy decay rate. Finally, we prove that the system is exactly controllable through one single boundary control

On étudie dans le cadre de la thèse une famille de schémas numériques permettant de résoudre les équations de Saint-Venant. Ces schémas utilisent une décomposition d'opérateur de type Lagrange-projection afin de séparer les ondes de gravité et les ondes de transport. Un traitement implicite du système acoustique (relié aux ondes de gravité) permet aux schémas de rester stable avec de grands pas de temps. La correction des flux de pression rend possible l'obtention d'une solution approchée précise quel que soit le régime d'écoulement vis-à-vis du nombre de Froude. Une attention toute particulière est portée sur le traitement du terme source qui permet la prise en compte de l'influence de la topographie. On obtient notamment la propriété dite équilibre permettant de conserver exactement certains états stationnaires, appelés état du "lac au repos". Des versions 1D et 2D sur maillages non-structurés de ces méthodes ont été étudiées et implémentées dans un cadre volumes finis. Enfin, une extension vers des méthodes ordres élevés Galerkin discontinue a été proposée en 1D avec des limiteurs classiques ainsi que combinée avec une boucle MOOD de limitation a posteriori. / In this thesis we study a family of numerical schemes solving the shallow water equations system. These schemes use a Lagrange-projection like splitting operator technique in order to separate the gravity waves and the transport waves. An implicit-explicit treatment of the acoustic system (linked to the gravity waves) allows the schemes to stay stable with large time step. The correction of the pressure fluxes enables the obtain of a precise approximation solution whatever the regime flow is with respect to the Froude number. A particular attention has been paid over the source term treatment which permits to take the topography into account. We especially obtain the so-called well-balanced property giving the exact conservation of some steady states, namely the "lake at rest" state. 1D and 2D versions of this methods have been studied and implemented in the finite volumes framework. Finally, a high order discontinuous Galerkin extension has been proposed in 1D with classical limiters along with a combined MOOD loop a posteriori limiting strategy.

Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée dûe à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma. / This work provides an original study about laser-matter interaction in the nanosecond regime, based on a coupling between the experiments and the modelling. The experimental study provides a description of the dynamics of the laser produced plasmas. The modelling, based on a 1D numerical scheme, is aimed to describe the heating of the target by the laser pulse, the process of matter ablation and the formation of a plasma in this ablated material due to the interaction with the laser. The comparisons between both experimental and numerical results give the order of accuracy of the results obtained by modelling. These comparisons are limited to the first hundred nanoseconds of plasma expansion. We show that the plasma shielding, the plasma expansion and the propagation of the shockwave are well modelled. Furthermore, the values of both ablation and plasma formation threshold are accurately computed. However, many differences are observed in the results concerning the laser-target interaction process. Finally, the degree of accuracy of the model is sufficiently high to study precisely the background gas effet on both plasma dynamics and properties.

Le travail présenté dans ce mémoire nous a permis d’étudier d’un point de vue théorique et numérique le transfert de chaleur couplé par rayonnement et conduction à travers un milieu semi-transparent, gris et non diffusant dans une géométrie multidimensionnelle 2D. Ces deux modes de transfert de chaleur sont décrits par un couplage non linéaire de l’équation de la chaleur non linéaire (CT) et de l’équation du transfert radiatif (ETR). Nous avons présenté des résultats d’existence, d’unicité locale de la solution pour le système couplé avec des conditions aux limites de type Dirichlet homogènes en utilisant le théorème du point fixe de Banach. Par ailleurs, les travaux réalisés nous ont permis de mettre au point un code de calcul qui permet de simuler la température. Nous avons utilisé la quadrature S_N pour la discrétisation angulaire de l’ETR. La discrétisationde l'ETR dans la variable spatiale est effectuée par la méthode de Galerkin discontinue (DG) et en éléments finis pour l'équation de la chaleur non linéaire. Nous avons démontré la convergence du schémanumérique couplé en utilisant la méthode du point fixe discret. Le modèle discret, sous la forme d’équations différentielles ordinairesnon linéaires obtenu après une approximation nous a permis de fairel’analyse et la synthèse d’estimateurs d’état et de lois de commandepour la stabilisation. Grâce à la structure particulière du modèle età l’aide du DMVT. Nous avons proposé un observateur d’ordre réduit.D’autre part nous avons réussi à construire une matrice de gain quiassure la stabilité de l’observateur proposé. Une extension au filtrage $\mathcal{H}_{\infty}$ est également proposée. Une nouvelleinégalité matricielle (LMI) est donnée dans le cas d’une commandebasée observateur. Nous avons étendu à l’approche d’ordre réduit dans le cas de la commande basée observateur et nous avons montré la stabilité sous l’action de la rétroaction. De même une extension au filtrage $\mathcal{H}_{\infty}$ est également proposée. Tous les résultats sont validés par des simulations numériques. / This thesis investigates the theoretical and numerical analysis of coupled radiative conductive heat transfer in a semi-transparent, gray and non-scattering 2D medium. This two heat transfer modes are described by the radiative transfer equation (RTE) and the nonlinear heat equation (NHE). We proved the existence and uniqueness of the solution of coupled systems with homogeneous Dirichlet boundary conditions using the fixed-point theorem. Moreover, we developed a useful algorithm to simulate the temperature in the medium. We used the quadrature $S_{N}$ for the angular discretization of the RTE. The spatial discretization of RTE was made by the discontinuous Galerkin method (DG) and the finite element method for the non-linear heat equation. We have shown the convergence and the stability of the coupled numerical scheme using the discrete fixed point. The discrète model obtained after an approximation allowed us to do the analysis and synthesis of state estimators and feedback control design for stabilization of the system. Thanks to the special structure of the model and using the Differential Mean Value Theorem (DMVT), we proposed a reduced order observer and we construct a gain matrix, which ensures the exponential stability of the proposed observer and guarantees the boundedness of the estimate vector. An extension to $\mathcal{H}_{\infty}$ filtering is also provided. We have extended the reduced order approach in the case of the observer-based controller and we proved the exponential stability under the control feedback law. Similarly, an extension to $\mathcal{H}_{\infty}$ filtering is also provided. The obtained results were validated through several numerical simulations.

Ce travail de thèse, propose un schéma numérique d'ordre élevé, distribuantle résidu (RD) pour l'approximation d'un problème hydro-sédimentairehyperbolique non conservatif, couplant les modèles de Grass et de Saint-Venant. Il fait appel à des méthodes de Runge-Kutta à variation totale diminuanteet de stabilisation (méthode de décentrement amont, dit Upwind),avec ou sans adjonction de limiteurs et présente de bonnes propriétés.L'une des facettes importantes de ce qui a été réalisée, repose sur la conceptionet le développement d'un programme Python 2D-espace, sous la formed'un logiciel faisant appel à un ensemble de modules créés pour l'occasion.Le développement du code de calcul, qui se propose d'approcher la solutiondu problème hydro-sédimentaire, a été e_ectué avec une orientation Objetet pour être e_cace sur calculateur parallèle (utilisant le parallélisme multithreadsOpenMP). L'une des particularités du schéma numérique dans cecadre, est liée à son application à des quadrangles.Un programme 1D-espace, qui se présente également sous forme de logiciel,a aussi été mis en place. Pour des raisons de portabilité et d'e_catité, il aété écrit multilangages (Python-Fortran : via numpy.ctypes pour Python etvia l'interface standard de Fortran pour C). Le schéma RD avec ou sansadjonction de limiteurs de _ux, a été implémenté à la manière d'un schémaprédicteur-correcteur. Des comparaisons avec d'autres schémas ont été e_ectuées a_n de montrer son e_cacité, son ordre de précision élevé a été mis enévidence, et la C-propriété a été testée. Les tests ont révélé que, pour le casd'un transport d'un pro_l sédimentaire parabolique, c'est le limiteur de _uxMUSCL MinMod, qui est le plus adapté parmi ceux testés.Dans le cas scalaire, des tests numériques ont été réalisés a_n de validerle second ordre de précision. / The present work, proposes a high order Residual Distribution (RD) numericalscheme to solve the non conservative hyperbolic problem, coupling Shallow Water and Grass equations. It uses Total Value Diminishing Runge Kutta and stabilisation Upwind methods, with or without limiters. It also has some good properties.A part of the work realised in this thesis, is about the conception and the developpement of a 2D-space Python program, under the form of a software,using a set of moduls created for the occasion. the code developpement, whichis said to approach the _uid-sediment model, coupling Shallow-Water and sedimentequations, has been made with an Object orientation and in orderto be e_cient on parallel architecture (using multithreads OpenMP parallelism). One of the features of the scheme in this case, is due to its application on quadrangles.A 1D-space program, also writen as a software, has been estabished. In order to be portable and e_cient, It has been developped multilinguals (Python- Fortran : by numpy.ctypes for Python and by standart interface FORTRAN for C). The RD scheme with or without Flux Limiters, has been implemented like predictor-corrector one. Comparisons with other schemes results have been realised, in order to show its e_ciency, moreover its high order accuracy has been focus on, and the C-proprerty has been tested. The tests show that MUSCL MinMod _ux limiters, is the most adaptated for a dune test case, between all tested.In the scalar case, numerical tests have been realised, for validating the secondorder of accuracy.

Φαινόμενα άντλησης με ή χωρίς βαλβίδες εξετάζονται πειραματικά και θεωρητικά μέσω κυλινδρικών εύκαμπτων αγωγών. Το φαινόμενο της άντλησης ρευστού χωρίς βαλβίδες μελετάται πειραματικά σε κλειστό βρόχο αποτελούμενο από δύο αγωγούς, έναν εύκαμπτο και έναν άκαμπτο. Αναπτύσσεται μη μηδενική μέση χρονικά παροχή ρευστού όταν διεγείρεται τμήμα του εύκαμπτου αγωγού σε συγκεκριμένες συχνότητες και πλάτη διέγερσης. Η διέγερση επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης και αποσυμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού από έναν κατάλληλο παλινδρομικό μηχανισμό. Εξετάζονται τέσσερις παράμετροι επιρροής του φαινομένου, η συχνότητα, το μήκος, το πλάτος και η θέση της διέγερσης. Καταγράφονται τα σήματα μέτρησης της παροχής στο μέσον του άκαμπτου αγωγού, οι τιμές της στατικής πίεσης στα άκρα του άκαμπτου αγωγού και η κατακόρυφη μετατόπιση της πλάκας συμπίεσης. Επιπλέον, προσδιορίζεται η παραμόρφωση της εγκάρσιας διατομής του ελαστικού αγωγού στην περιοχή της διέγερσης, κατά τη συμπίεση και αποσυμπίεσή του για διάφορα πλάτη διέγερσης. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την ανάπτυξη ροής προς μία κατεύθυνση με την αύξηση της συχνότητας διέγερσης. Η ροή αυτή μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα διέγερσης ταυτίζεται με την ιδιοσυχνότητα του υδραυλικού κυκλώματος. Η μέση χρονικά παροχή αυξάνει καθώς το σημείο διέγερσης απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού και επίσης με την αύξηση του πλάτους ή του μήκους διέγερσης. Θεωρητικά το φαινόμενο της άντλησης χωρίς βαλβίδες μελετάται μέσω της ανάπτυξης ενός κατάλληλου ψευδο-μονοδιάστατου μοντέλου που επιλύεται αριθμητικά, θεωρώντας ξανά κλειστό βρόχο ενός εύκαμπτου και ενός άκαμπτου αγωγού. Οι εξισώσεις του μοντέλου διαμορφώνονται με την ολοκλήρωση των εξισώσεων ροής (συνέχειας και ορμής) επί της εγκάρσιας διατομής του κλειστού βρόχου, θεωρώντας αξονοσυμμετρική ροή ασυμπίεστου ρευστού με σταθερό ιξώδες. Χρησιμοποιείται επίσης μία καταστατική εξίσωση που σχετίζει την αναπτυσσόμενη πίεση με την μεταβαλλόμενη εγκάρσια διατομή του βρόχου, έχοντας υποθέσει λεπτά ελαστικά τοιχώματα αγωγών με γραμμικές παραμορφώσεις. Επιλύεται αριθμητικά μη γραμμικό σύστημα μερικών διαφορικών εξισώσεων υπερβολικού τύπου, μέσω τριών αριθμητικών σχημάτων: Lax-Wendroff, MacCormack, και Dispersion Relation Preserving (DRP), το οποίο παρουσιάζει και την υψηλότερη ακρίβεια. Οι τρεις άγνωστες συναρτήσεις που υπολογίζονται στο χώρο και το χρόνο είναι η εγκάρσια διατομή του κλειστού κυκλώματος, η αναπτυσσόμενη εσωτερική πίεση του ρευστού και η ταχύτητά του. Σε κάποιο σημείο του εύκαμπτου αγωγού η περιοδική διέγερση προκαλεί κατευθυνόμενη ροή του ρευστού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Όταν η διέγερση απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού, αναπτύσσεται διαφορά φάσης μεταξύ των κυματομορφών της πίεσης στα σημεία σύνδεσης των δύο αγωγών. Η κυματομορφή της πίεσης που προηγείται είναι αυτή που διαμορφώνεται στο σημείο σύνδεσης των δύο αγωγών που είναι πιο κοντά στη διέγερση. Με αύξηση του πλάτους ή του μήκους του διεγειρόμενου τμήματος του κλειστού κυκλώματος, η μέση χρονικά παροχή αυξάνει και μεγιστοποιείται στην ιδιοσυχνότητα του συστήματος. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα διέγερσης στο πεδίο μακριά της συχνότητας συντονισμού, εμφανίζονται τοπικά ακρότατα της συνάρτησης της μέσης χρονικά παροχής με τη συχνότητα, τα οποία αναδεικνύουν τον περίπλοκο χαρακτήρα του φαινομένου της άντλησης χωρίς βαλβίδες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν την ίδια συστηματικότητα με τα αντίστοιχα του πειράματος, διατηρώντας τα περισσότερα χαρακτηριστικά και τάσεις στις μεταβολές. Κατά το πρώιμο στάδιο κύησης του εμβρύου το αίμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση στο πρωταρχικό κυκλοφορικό σύστημα του εμβρύου, παρότι οι βαλβίδες απουσιάζουν. Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο επιλύεται με αριθμητικά δεδομένα από τη φυσιολογία του εμβρύου, γι’ αυτό το πρώιμο στάδιο κύησης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DRP 4ης τάξης ακρίβειας στο χώρο και το χρόνο. Το μέγεθος της μέσης παροχής του αίματος εξαρτάται από τους εμβρυϊκούς καρδιακούς παλμούς και το βαθμό συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Η αντλητική ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου εκφράζεται με τη μέση παροχή αίματος ως συνάρτηση των καρδιακών παλμών και του βαθμού συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Το φαινόμενο της άντλησης με βαλβίδες μελετάται πειραματικά μέσω ενός ανατάξιμου εύκαμπτου αγωγού, ο οποίος συμπιέζεται από ένα μηχανισμό δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Μία πρότυπη συσκευή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, ώστε να αναλυθεί η συμπεριφορά και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Περισταλτικές αντλίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται στην ιατρική σε εφαρμογές παρεντερικής διατροφής, άντλησης του αίματος και ειδικότερα σε έγχυση φαρμάκων. Για την κατασκευή της πρότυπης αντλίας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας καινοτομικός μηχανισμός εκκεντροφόρου άξονα, ο οποίος επιτυγχάνει σταθερό ρυθμό έγχυσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δύο δεξαμενές υπερχείλισης που συνδέονται μέσω ενός σωλήνα ελαστικού σιλικόνης. Το όλο σύστημα πληρώνεται με αποσταγμένο νερό και η άντληση επιτυγχάνεται από τη μία δεξαμενή στην άλλη με κατάλληλη προοδευτική συμπίεση ενός τμήματος του ελαστικού αγωγού μέσω του μηχανισμού της αντλίας. Η παροχή μετράται ζυγίζοντας τη δεξαμενή κατάθλιψης, η οποία είναι τοποθετημένη σε δυναμοκυψέλη γι’ αυτό το σκοπό. Για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας η έγχυση είναι σχεδόν ομαλή χωρίς πάλμωση. Επίσης, η παροχή εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα περιστροφής του άξονα της αντλίας και μεγιστοποιείται γύρω από την ιδιοσυχνότητα της συσκευής. / Valveless and valvate pumping phenomena are investigated experimentally and theoretically through cylindrical distensible tubes. The phenomenon of valveless pumping is studied experimentally in a loop consisting of two tubes, a soft and a hard one filled with salted water. A non zero mean flow-rate is established via a reciprocating flat plate mechanism compressing and decompressing a portion of the flexible tube with a controllable frequency and depth of compression. Four parameters of the problem were examined, namely the frequency of the oscillating plate, its length, the depth of compression and the location where the tube is compressed. Four signals were simultaneously recorded, namely the flow-rate at the mid length of the hard tube, the static pressure at the tube’s ends and the displacement of the oscillating plate. Also, the tube cross-sectional area was measured versus the displacement of the oscillating plate for various values of the maximum depth of compression. Analysis of the obtained data showed that a unidirectional flow is established increasing the frequency of compression and it maximizes when the compression frequency coincides with the natural frequency of the hydraulic loop. The mean value of the flow-rate increases when the point of compression moves far from the mid length of the flexible tube, when the length of the reciprocating plate increases and when the depth of compression increases. Additionally, the development of a theoretical model of valveless pumping and its numerical solution is presented, applied for the case of the closed hydraulic loop, consisting of a flexible and a rigid tube. The integration of the governing flow equations (continuity and momentum), over the tube cross-sectional area results in a quasi-one-dimensional unsteady model, considering axisymmetric flow of incompressible fluid with constant viscosity. There was also used a constitutive state equation, relating pressure and cross-sectional area, and assuming that the deformations of the thin-walled tubes are purely elastic. A system of nonlinear partial differential equations of the hyperbolic type is solved numerically, employing three finite difference schemes: Lax-Wendroff, MacCormack, and Dispersion Relation Preserving (DRP), the last being the most accurate one. Three functions in time and space are calculated, the cross-sectional area of the closed loop, the building up internal pressure and the velocity of the fluid inside the loop. A periodic compression and decompression of the flexible tube causes a unidirectional flow, under certain conditions. When the excitation takes place far from the midlength of the flexible tube, a phase difference between the pressures at the two edges of each tube is developed, being in advance the one that is closer to the excitation area. Increasing the tube occlusion or the length of the excited part of the loop the mean flow rate increases and maximizes at the natural frequency of the loop. Varying the excitation frequency both above and below the resonance frequency, local flow rate extremes appear, manifesting the complex character of the valveless pumping phenomenon. The simulated results maintain most of the characteristics found in the experiment. During early embryonic life, blood circulates in one direction through the primitive circulatory system, in spite of the complete lack of valves. The above mathematical model described the coordinated fashion of the blood circulation in the circulatory system of the embryo. The one-dimensional model is analysed numerically and solved with the DRP scheme, which is of fourth order accurate in time and space. The mean blood flow-rate depends on the embryonic heart rate and the contraction grade of the primordial heart tube. The pumping activity of the embryo circulatory system is shown by presenting the mean blood flow-rate as a function of embryonic heart rate for several contraction grades of the primordial heart tube. Furthermore, the phenomenon of valvate pumping is studied experimentally through a resilient tube, compressed by a two-cycle peristaltic pump mechanism. A prototype device was designed and manufactured in order to analyze the behaviour and reveal the characteristic curves of such a pump. This kind of pump can be used in medicine for nutrition, pumping blood and especially for drug infusion therapies. Concerning the manufacturing of this prototype device, an innovative mechanism was applied, regarding the camshaft of the pump, in order to achieve constant infusion flow-rate in time. The experimental set-up consists of two rigid overflow vessels filled with distilled water, communicating via a silicone rubber tube. Pumping is achieved from one vessel to the other by inducing a progressive deformation (shrinkage) on a segment of the silicone rubber tube through the pump. The flow-rate is measured by weighing the fluid-receiver vessel, which is placed on a single point load-cell platform. At low pumping frequencies the flow-rate is almost steady. Also it is shown that the flow-rate is mainly dependent on the rotating frequency of the pump and maximizes when the excitation frequency coincides with the natural frequency of the device.

A high-order central essentially non-oscillatory (CENO) finite-volume scheme in combination with a block-based adaptive mesh refinement (AMR) algorithm is proposed for solution of hyperbolic and elliptic systems of conservation laws on body- fitted multi-block mesh. The spatial discretization of the hyperbolic (inviscid) terms is based on a hybrid solution reconstruction procedure that combines an unlimited high-order k-exact least-squares reconstruction technique following from a fixed central stencil with a monotonicity preserving limited piecewise linear reconstruction algorithm. The limited reconstruction is applied to computational cells with under-resolved solution content and the unlimited k-exact reconstruction procedure is used for cells in which the solution is fully resolved. Switching in the hybrid procedure is determined by a solution smoothness indicator. The hybrid approach avoids the complexity associated with other ENO schemes that require reconstruction on multiple stencils and therefore, would seem very well suited for extension to unstructured meshes. The high-order elliptic (viscous) fluxes are computed based on a k-order accurate average gradient derived from a (k+1)-order accurate reconstruction. A novel h-refinement criterion based on the solution smoothness indicator is used to direct the steady and unsteady refinement of the AMR mesh. The predictive capabilities of the proposed high-order AMR scheme are demonstrated for the Euler and Navier-Stokes equations governing two-dimensional compressible gaseous flows as well as for advection-diffusion problems characterized by the full range of Peclet numbers, Pe. The ability of the scheme to accurately represent solutions with smooth extrema and yet robustly handle under-resolved and/or non-smooth solution content (i.e., shocks and other discontinuities) is shown for a range of problems. Moreover, the ability to perform mesh refinement in regions of smooth but under-resolved and/or non-smooth solution content to achieve the desired resolution is also demonstrated.