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Résumé : Cette thèse est consacrée à l'étude des équations de Stokes et de Navier-Stokes avec des conditions aux limites de Navier dans un ouvert borné de . Le manuscrit ici est composé de trois chapitres. Dans le premier, nous considérons les équations de Stokes stationnaires avec des conditions aux limites de Navier. Nous démontrons l'existence, l'unicité et la régularité de la solution d'abord dans un cadre hilbertien puis dans le cadre de la théorie . Nous traitons aussi le cas de solutions très faibles. Dans le deuxième chapitre, nous nous intéressons aux équations de Navier-Stokes avec la condition de Navier. Sous certaines hypothèses sur les données, nous démontrons l'existence de solution faible dans , avec en utilisant un théorème du point fixe appliqué à un problème d'Oseen. Nous démontrons examinons ensuite les questions de régularité des solutions en particulier dans . Dans le dernier chapitre, nous étudions le problème d'évolution de Stokes avec la condition de Navier. La résolution de ce problème se fait au moyen de la théorie des semi-groupes analytiques qui jouent un rôle important pour établir l'existence et l'unicité de la solution dans le cas homogène. Nous traitons le cas du problème non homogène par le biais des puissances imaginaires de l'opérateur de Stokes. / This thesis is devoted to the study of the Stokes equations and Navier-Stokes equations with Navier boundary conditions in a bounded domain of . The work contains three chapters: In the first chapter, we consider the stationary Stokes equations with Navier boundary condition. We show the existence, uniqueness and regularity of the solution in the Hilbert case and in the -theory. We prove also the case of very weak solutions. In the second chapter, we focus on the Navier-Stokes equations with the Navier boundary condition. We show the existence of the weak solution in , with by a fixed point theorem over the Oseen equation. We show also the existence of the strong solution in . In chapter three, we study the evolution Stokes problem with Navier boundary condition. For this, we apply the analytic semi-groups theory, which plays a crucial role in the study of existence and uniqueness of solution in the case of the homogeneous evolution problem. We treat the case of non-homogeneous problem through imaginary powers of the Stokes operator.

Numerical solution of differential equations having multitude of scales in the solution field is one of the most challenging research areas, but highly demanded in scientific and industrial applications. One of the natural approaches for handling such problems is to separate the scales and approximate the solution of the segregated scales with appropriate numerical method. Variational multiscale method (VMS) is a predominant method in the paradigm of scale separation schemes. In our work we have used the VMS technique to develop a numerical scheme for computations of turbulent flows in time-dependent domains. VMS allows separation of the entire range of scales in the flow field into two or three groups, thereby enabling a different numerical treatment for the different groups. In the context of computational fluid dynamics(CFD), VMS is a significant new improvement over the classical large eddy simulation (LES). VMS does away with the commutation errors arising due to filtering in LES. Further, in a three-scale VMS approach the model for the subgrid scale can be contained to only a part of the resolved scales instead of effecting the entire range of resolved scales. The projection based VMS scheme that we have developed gives a robust and efficient method for solving problems of turbulent fluid flows in deforming domains, governed by incompressible Navier {Stokes equations. In addition to the existing challenges due to turbulence, the computational complexity of the problem increases further when the considered domain is time-dependent. In this work, we have used an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) based VMS scheme to account for the domain deformation. In the proposed scheme, the large scales are represented by an additional tensor valued space. The resolved large and small scales are computed in a single unified equation, and the effect of unresolved scales is confined only to the resolved small scales, by using a projection operator. The popular Smagorinsky eddy viscosity model is used to approximate the effects of unresolved scales. The used ALE approach consists of an elastic mesh update technique. Moreover, a computationally efficient scheme is obtained by the choice of orthogonal finite element basis function for the resolved large scales, which allows to reformulate the ALE-VMS system matrix into the standard form of the NSE system matrix. Thus, any existing Navier{Stokes solver can be utilized for this scheme, with modifications. Further, the stability and error estimates of the scheme using a linear model of the NSE are also derived. Finally, the proposed scheme has been validated by a number of numerical examples over a wide range of problems.

<p>This thesis consists of the structure-preserving numerical methods for PNP-NS equation and dynamic liquid crystal systems in Oseen-Frank energy. </p> <p>In Chapter 1, we give a brief introduction of the Poisson-Nernst-Planck-Navier-Stokes (PNP-NS) system, and the dynamical liquid system in Oseen-Frank energy in one-constant approximation case and a special non-one-constant case. Each of those systems has a special structure and properties we want to keep at the discrete level when designing numerical methods.</p> <p>In Chapter 2, we introduce a first-order numerical scheme for the PNP-NS system that is decoupled, positivity preserving, mass conserving, and unconditionally energy stable. The numerical scheme is designed in the context of Wasserstein gradient flow based on the form ∇ · (c∇ ln c). The mobility terms are treated explicitly, and the chemical potential terms are treated implicitly so that the solution of the numerical scheme is the minimizer of a convex functional, which is the key to the unique solvability and positivity preserving of the numer-<br> ical scheme. Proper boundary conditions for chemical potentials are chosen to guarantee the mass-conservation property. The convection term in Poisson-Nernst-Planck(PNP) equation part is treated explicitly with an O(∆t) term introduced so that the numerical scheme is decoupled and unconditionally energy stable. Pressure correction methods are used for the Navier-Stokes(NS) equation part. And we proved the optimal convergence rate with an irregular high-order asymptotic expansion technique.</p> <p>In Chapter 3, we propose a first-order implicit numerical method for a dynamic liquid crystal system in a one-constant-approximation case(which is also known as heat flow of harmonic maps to S2). The solution is the minimizer of a convex functional under the unit length constraint, and from this point, the weak convergence of the numerical scheme could be proved. The numerical scheme is solved in an iterative procedure. This procedure could be proved to be energy decreasing and this implies the convergence of the algorithm.</p> <p>In Chapter 4, we study the dynamic liquid crystal system in a more generalized Oseen- Frank energy compared to Chapter 3. We are assuming K2 = K3 = −K4, the domain Ω is a rectangular region in R3, and d satisfies the periodic boundary condition on ∂Ω. And we propose a class of numerical schemes for this system that preserve the unit length constraint. The convergence of the numerical scheme has been proved under necessary assumptions. And numerical experiments are presented to validate the accuracy and demonstrate the performance of the proposed numerical scheme.</p>

Les travaux de la thèse portent sur la résolution des équations de Stokes, d'abord avec des conditions au bord portant sur la composante normale du champ de vitesse et la composante tangentielle du tourbillon, ensuite avec des conditions au bord portant sur la pression et la composante tangentielle du champ de vitesse. Dans chaque cas nous démontrons l'existence, l'unicité et la régularité de la solution. Nous traitons aussi le cas de solutions très faibles, par dualité. Le cadre fonctionnel que nous avons choisi est celui des espaces de Banach du type H(div) et H(rot) ou l'intersection des deux, basés sur l'espace Lp , avec 1 < p < ∞. En particulier, on se place dans des domaines non simplement connexes, avec des frontières non connexes. Nous nous intéressons en premier lieu à l'obtention d'inégalités de Sobolev pour des champs de vecteurs u ∈ Lp (Ω). Dans un second temps, nous établissons des résultats d'existence pour les potentiels vecteurs avec diverses conditions aux limites. Ceci nous permet d'abord d'effectuer des décompositions de type Helmholtz et ensuite de démontrer des conditions Inf − Sup lorsque la forme bilinéaire est un produit de rotationnels. Ces conditions aux limites font que l'équation de la pression est indépendante des autres variables. C'est la raison pour laquelle nous sommes naturellement conduit à étudier les problèmes elliptiques qui se traduisent par les systèmes de Stokes sans la pression. La résolution de ces problèmes se fait au moyen des Conditions Inf − Sup qui jouent un rôle clef pour établir l'existence et l'unicité de solutions. Nous donnons une applications aux systèmes de Navier-Stokes, où on obtient l'existence d'une solution en effectuant un point fi xe autour du problème d'Oseen. Enfi n, deux méthodes numériques sont proposées pour approcher le problème de Stokes. Nous analysons d'abord une méthode de Nitsche et puis une méthode de Galerkin discontinu. Quelques résultats numériques de convergence sont décrits qui sont parfaitement cohérents avec l'analyse.

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