Cette thèse s’intéresse à la modélisation magnétohydrodynamique des écoulements de fluides conducteurs d’électricité multi-échelles en mettant l’emphase sur deux applications particulières de la physique solaire: la modélisation des mécanismes des variations de l’irradiance via la simulation de la dynamo globale et la reconnexion magnétique. Les variations de l’irradiance sur les périodes des jours, des mois et du cycle solaire de 11 ans sont très bien expliquées par le passage des régions actives à la surface du Soleil. Cependant, l’origine ultime des variations se déroulant sur les périodes décadales et multi-décadales demeure un sujet controversé. En particulier, une certaine école de pensée affirme qu’une partie de ces variations à long-terme doit provenir d’une modulation de la structure thermodynamique globale de l’étoile, et que les seuls effets de surface sont incapables d’expliquer la totalité des fluctuations. Nous présentons une simulation globale de la convection solaire produisant un cycle magnétique similaire en plusieurs aspects à celui du Soleil, dans laquelle le flux thermique convectif varie en phase avec l’ ́energie magnétique. La corrélation positive entre le flux convectif et l’énergie magnétique supporte donc l’idée qu’une modulation de la structure thermodynamique puisse contribuer aux variations à long-terme de l’irradiance. Nous analysons cette simulation dans le but d’identifier le mécanisme physique responsable de la corrélation en question et pour prédire de potentiels effets observationnels résultant de la modulation structurelle. La reconnexion magnétique est au coeur du mécanisme de plusieurs phénomènes de la physique solaire dont les éruptions et les éjections de masse, et pourrait expliquer les températures extrêmes caractérisant la couronne. Une correction aux trajectoires du schéma semi-Lagrangien classique est présentée, qui est basée sur la solution à une équation aux dérivées partielles nonlinéaire du second ordre: l’équation de Monge-Ampère. Celle-ci prévient l’intersection des trajectoires et assure la stabilité numérique des simulations de reconnexion magnétique pour un cas de magnéto-fluide relaxant vers un état d’équilibre. / This thesis concentrates on magnetohydrodynamical modeling of multiscale conducting fluids with emphasis on two particular applications of solar physics: the modeling of solar irradiance mechanisms via the numerical simulation of the global dynamo and of magnetic reconnection. Irradiance variations on the time scales of days, months, and of the 11 yr solar cycle are very well described by changes in the surface coverage by active regions. However, the ultimate origin of the long-term decadal and multi-decadal variations is still a matter of debate. In particular, one school of thought argues that a global modulation of the solar thermodynamic structure by magnetic activity is required to account for part of the long-term variations, in addition to pure surface effects. We hereby present a global simulation of solar convection producing solar-like magnetic cycles, in which the convective heat flux varies in phase with magnetic energy. We analyze the simulation to uncover the physical mechanism causing the positive correlation and to predict potential observational signatures resulting from the flux modulation. Magnetic reconnection is central to many solar physics phenomena including flares and coronal mass ejections, and could also provide an explanation for the extreme temperatures (T ∼ 106K) that charaterize the coronna. A trajectory correction to the classical semi-Lagrangian scheme is presented, which is based on the solution to a second-order nonlinear partial differential equation: the Monge-Amp`ere equation. Using the correction prevents the intersection of fluid trajectories and assures the physical realizability of magnetic reconnection simulations for the case of a magneto- fluid relaxing toward an equilibrium state.

Introduite récemment par Hughes et ses collaborateurs, l'Analyse Isogéométrique connaît un large succès pour des problèmes principalement industriels. L'idée est de faciliter la communication entre la C.A.O et la simulation numérique, sans avoir à repasser à chaque fois par des mailleurs. Ainsi, les fonctions définissants la géométrie sont utilisées pour approcher les solutions des équations à dérivées partielles. L' application aux problèmes issues de l'électromagnétisme ont été motivé par les travaux de Buffa et ses collaborateurs à Pavie. Dans cette thèse, nous avons appliqué cette méthode pour résoudre des problèmes issues de la physique des plasmas. S'il est vrai que la géométrie n'est pas définie, l'analyse isogéométrique dans sa version isoparamétrique, nous fournit un outil très puissant pour approcher les domaines de calculs. Dans un plasma, ce domaine est défini par la résolution d'un problème d'équilibre (MHD equilibrium). A partir de là, différents modèles sont utilisés pour décrire le plasma: cinétiques ( gyrocinétique) ou fluides. Nous avons passé en revue les méthodes les plus classiques et plus utilisées afin de révéler l'intérêt de la méthode. Se basant sur la structure de produit tensoriel, nous avons développé des solveurs rapides pour la résolution de certains problèmes. Nous avons aussi dérivé un solveur, se basant sur les complexes de Hilbert, pour les équations de Maxwell en "time domain".

Les résultats présentés dans cette thèse portent sur l'approximation adaptative de deux problèmes de transport non-linéaire : le système de Vlasov-Poisson et les lois de conservation scalaires. Pour le premier, et dans une approche semi-lagrangienne, on a proposé un schéma adaptatif original à base d'éléments finis hiérarchiques où l'évolution des maillages est réalisée par une étape de prédiction très simple suivie d'une étape de correction plus classique. En introduisant la notion de courbure totale pour étendre la semi-norme W2,1(R2) aux fonctions affines par morceaux, on a alors établi une estimation d'erreur a priori prouvant la convergence de ce schéma en distance L∞, et donné des éléments de preuve concernant sa complexité optimale. Les lois de conservations scalaire ne pouvant être approchées en distance L∞, on a considéré leur analyse en distance uniforme de Hausdorff, moins répandue bien que plus géométrique. Après avoir montré que les solutions de ces équations étaient stables vis-à-vis de cette distance, on a établi un résultat d'approximation adaptative d'ordre élevé.

Ce manuscrit de thèse traite de l'analyse asymptotique de problèmes paraboliques possédant des termes raides. Dans un premier temps, on fait l'analyse asymptotique d'un système parabolique possédant des termes de transport raide. Une analyse à deux échelles, basée sur des résultats de théorie ergodique, nous permet de dériver un système limite effectif. Ce système effectif se trouve être, de nouveau, un système parabolique dont le champ de diffusion peut être explicité par une moyenne du champ de diffusion initial le long d'un groupe d'opérateurs unitaires. L'introduction d'un correcteur nous permet d'obtenir un résultat de convergence forte, avec un ordre de convergence, pour des données initiales non nécessairement bien préparées. On propose dans un second temps une méthode numérique permettant de calculer le champ de diffusion effectif. Celle-ci est basée sur la combinaison d'un schéma Runge-Kutta et d'un schéma de type semi-Lagrangien. L'ordre de convergence obtenu théoriquement est mis en évidence de manière numérique. On propose une méthode numérique basée sur un splitting d'opérateur pour la résolution du système parabolique avec termes de transport raide. Enfin, on effectue l'analyse asymptotique d'un système parabolique fortement anisotrope. Sous de bonnes hypothèses de régularité, un système variationnel effectif est proposé et l'introduction d'un correcteur adapté permet d'obtenir un résultat de convergence forte avec un ordre de convergence. Les arguments utilisés relèvent une nouvelle fois de l'analyse à deux échelles et de la théorie ergodique. / This manuscript is devoted to the asymptotic analysis of parabolic equations with stiff terms. First, we perform the asymptotic analysis of a parabolic equation with stiff transport terms. An effective limit model is obtained by a two-scale analysis based on ergodic theory results. This effective system is again a parabolic system whose diffusion field is an average of the initial diffusion field along a group of unitary operators. The introduction of a corrector allows us to obtain a strong convergence result, with an order of convergence, for initial data not necessarily well prepared. We propose a numerical method to compute the effective diffusion field. This method is based on a Runge-Kutta scheme and a semi-Lagrangian scheme. The theoretically order of convergence is obtained numerically. We propose a numerical method based on operator splitting for the resolution of the parabolic system with stiff transport terms. Finally, we perform the asymptotic analysis of a strongly anisotropic parabolic problem. Under suitable smoothness hypotheses, an effective variational system is proposed. By using a suitable corrector, we obtain a strong convergence result and we are able to perform the error analysis. The arguments relate again to the two-scale analysis and the ergodic theory.

Les instabilités de type Weibel naissent si la distribution des vitesses du plasma présente une anisotropie. Elles entraînent la génération d’un champ magnétique dû à la formation de filaments de courant ainsi qu’une activité électrostatique importante. Ces phénomènes de base apparaissent dans de nombreuses situations, naturelles (vent solaire, jets relativistes) ou expérimentales (interaction laser-plasma) : les plasmas dans lesquels ils naissent peuvent être relativistes ou non, magnétisés ou non, collisionnels ou non, ce qui pose la question du choix du modèle à utiliser pour les décrire. La théorie cinétique est le cadre le plus complexe dans lequel nous travaillerons. De par sa complexité, il est intéressant de développer des modèles réduits. Un premier travail mené au cours de cette thèse est l’utilisation d’un modèle fluide incluant la dynamique du tenseur de pression pour modéliser la phase linéaire des instabilités de type Weibel. On discute le rôle essentiel joué par les composantes hors diagonale du tenseur dans la génération du champ magnétique, puis la capacité du modèle à reproduire quantitativement ou qualitativement les résultats cinétiques en introduisant la notion de limite hydrodynamique. La seconde partie de la thèse est ciblée sur le développement du code semi-lagrangien relativiste VLEM utilisant une méthode de décomposition de domaine : on présente les principales méthodes mathématiques utilisées dans le code, puis on aborde la problématique de la conservation de la charge à laquelle on apporte une réponse reposant sur une adaptation de la méthode d’Esirkepov. Le code est enfin validé grâce à plusieurs simulations d’instabilités de type Weibel / Weibel-type instabilities occurs when the velocity distribution function of the charged particles displays a pronounced anisotropy. A long-lasting magnetic field is generated due to the formation of current filaments, and it is accompanied by an important electrostatic activity. These ``basic’’ phenomena have been greatly investigated because of their involvement in many physical problems, natural (solar wind, relativistic jets) or experimental (laser-plasma interaction) : they occurs in plasmas which can be collisional or not, magnetised or not, relativistic or not. One needs to choose a suitable model for their description. The kinetic theory is the most complete and somewhat complex theoretical framework which we will consider. Due to its complexity, it may be interesting to develop reduced models. The first work realised during this thesis is the utilisation of a non-relativistic fluid description, including the dynamics of the pressure tensor, in order to model the linear Weibel-type instabilities. We put in evidence the effect of the non-diagonal components of the tensor on the magnetic field generation. We discuss the ability of the model to reproduce quantitatively or qualitatively the kinetic results by introducing the hydrodynamics limit. The second part of this thesis work is dedicated to the development of the relativistic semi-lagrangian code VLEM, using a domain decomposition scheme : we present the main mathematical tools used in the code, then we deal with the problem of the charge conservation and propose a solution for VLEM, based on an adaptation of the Esirkepov method. Finally, we validate the code through simulations of Weibel-type