In this thesis we present theoretical and numerical results for a feedback control problem defined by a thermal fluid. The problem is motivated by recent interest in designing and controlling energy efficient building systems. In particular, we show that it is possible to locally exponentially stabilize the nonlinear Boussinesq Equations by applying Neumann/Robin type boundary control on a bounded and connected domain. The feedback controller is obtained by solving a Linear Quadratic Regulator problem for the linearized Boussinesq equations. Applying classical results for semilinear equations where the linear term generates an analytic semigroup, we establish that this Riccati-based optimal boundary feedback control provides a local stabilizing controller for the full nonlinear Boussinesq equations. In addition, we present a finite element Galerkin approximation. Finally, we provide numerical results based on standard Taylor-Hood elements to illustrate the theory. / Ph. D.

Dans ce travail nous nous intéressons à la résolution du problème d'évolution de Navier-Stokes incompressible totalement discrétisé en temps et en espace, en dimension deux par une méthode à deux grilles. Dans un premier temps, nous étendons la méthode à deux grilles, appliquée par V. Girault et J.-L. Lions au problème de Navier-Stokes instationnaire semi-discrétisé au problème de Navier-Stokes totalement discrétisé en temps (par un schéma d'ordre un) et en espace (par une méthode d'éléments finis d'ordre un). Dans la première étape, le problème non-linéaire est discrétisé en espace et en temps sur une grille grossière de pas d'espace H avec un pas de temps Delta t. Puis dans la deuxième étape, le problème, linéarisé autour de la vitesse u_H calculée à l'étape précédente, est discrétisé en espace sur une grille fine de pas d'espace h et le même pas de temps. L'idée de la méthode à deux grilles est que, sous des hypothèses adéquates, la contribution de u_H à l'erreur dans le terme non-linéaire en espace, est mesurée en norme L^2 en espace et en temps et a un ordre plus élevé que si elle était mesurée en norme H^1. Dans un deuxième temps, vu que le but est de gagner en ordre de convergence de l'erreur totale du schéma ainsi qu'en complexité nous étudions un schéma à deux grilles d'ordre deux en temps du problème totalement discrétisé en temps et en espace de Navier-Stokes. Nous présentons les résultats suivants: dans le cas de la résolution du schéma d'ordre un en temps, si h = H^2 = Delta t, alors l'erreur globale de l'algorithme à deux grilles est de l'ordre de h. Dans le cas du schéma d'ordre deux en temps, si h^2 = (Delta t)^2 = H^3, alors l'erreur globale de l'algorithme à deux grilles est de l'ordre de h^2: résultats identiques à ceux de la résolution directe du problème non-linéaire sur une grille fine.

The development of numerical methods for the incompressible Navier-Stokes equations received much attention in the past 50 years. Finite element methods emerged given their robustness and reliability. In our work, we choose the P2-P1 finite element for space approximation which gives 2nd-order accuracy for velocity and 1st-order accuracy for pressure. Our research focuses on the development of several high-order semi-implicit time-stepping methods to compute unsteady flows. The methods investigated include backward difference formulae (SBDF) and defect correction strategy (DC). Using the defect correction strategy, we investigate two variants, the first one being based on high-order artificial compressibility and bootstrapping strategy proposed by Guermond and Minev (GM) and the other being a combination of GM methods with sequential regularization method (GM-SRM). Both GM and GM-SRM methods avoid solving saddle point problems as for SBDF and DC methods. This approach reduces the complexity of the linear systems at the expense that many smaller linear systems need to be solved. Next, we proposed several numerical improvements in terms of better approximations of the nonlinear advection term and high-order initialization for all methods. To further minimize the complexity of the resulting linear systems, we developed several new variants of grad-div splitting algorithms besides the one studied by Guermond and Minev. Splitting algorithm allows us to handle larger flow problems. We showed that our new methods are capable of reproducing flow characteristics (e.g., lift and drag parameters and Strouhal numbers) published in the literature for 2D lid-driven cavity and 2D flow around the cylinder. SBDF methods with grad-div stabilization terms are found to be very stable, accurate and efficient when computing flows with high Reynolds numbers. Lastly, we showcased the robustness of our methods to carry 3D computations.

Nous développons dans ce travail de thèse un outil de simulation numérique pour les matériaux à changement de phase (MCP), en tenant compte du phénomène de convection naturelle dans la phase liquide, pour des configurations en deux et trois dimensions. Les équations de Navier-Stokes incompressible avec le modèle de Boussinesq pour la prise en compte des forces de flottabilité liées aux effets thermiques, couplées avec une formulation de l’équation d’énergie suivant la méthode d’enthalpie, sont résolues par une méthode d’éléments finis adaptatifs. Une approche mono-domaine, consistant à résoudre les mêmes systèmes d’équations dans les phases solide et liquide, est utilisée. La vitesse est ramenée à zéro dans la phase solide, en introduisant un terme de pénalisation dans l’équation de quantité de mouvement, suivant le modèle de Carman-Kozeny, consistant à freiner la vitesse à travers un milieu poreux. Une discrétisation spatiale des équations utilisant des éléments finis de Taylor-Hood, éléments finis P2 pour la vitesse et éléments finis P1 pour la pression, est appliquée, avec un schéma d’intégration en temps implicite d’ordre deux (GEAR). Le système d’équations non-linéaires est résolu par un algorithme de Newton. Les méthodes numériques sont implémentées avec le logiciel libre FreeFem++ (www.freefem.org), disponible pour tout système d’exploitation. Les programmes sont distribués sous forme de logiciel libre, sous la forme d’une forme de toolbox simple d’utilisation, permettant à l’utilisateur de rajouter d’autres configurations numériques pour des problèmes avecchangement de phase. Nous présentons dans ce manuscrit des cas de validation du code de calcul, en simulant des cas tests bien connus, présentés par ordre de difficulté croissant : convection naturelle de l’air, fusion d’un MCP, le cycle complet fusion-solidification, chauffage par le bas d’un MCP, et enfin, la solidification de l’eau. / In this thesis we develop a numerical simulation tool for computing two and three-dimensional liquid-solid phase-change systems involving natural convection. It consists of solving the incompressible Navier-Stokes equations with Boussinesq approximation for thermal effects combined with an enthalpy-porosity method for the phase-change modeling, using a finite elements method with mesh adaptivity. A single-domain approach is applied by solving the same set of equations over the whole domain. A Carman-Kozeny-type penalty term is added to the momentum equation to bring to zero the velocity in the solid phase through an artificial mushy region. Model equations are discretized using Galerkin triangular finite elements. Piecewise quadratic (P2) finite-elements are used for the velocity and piecewise linear (P1) for the pressure. The coupled system of equations is integrated in time using a second-order Gear scheme. Non-linearities are treated implicitly and the resulting discrete equations are solved using a Newton algorithm. The numerical method is implemented with the finite elements software FreeFem++ (www.freefem.org), available for all existing operating systems. The programs are written and distributed as an easy-to-use open-source toolbox, allowing the user to code new numerical algorithms for similar problems with phase-change. We present several validations, by simulating classical benchmark cases of increasing difficulty: natural convection of air, melting of a phase-change material, a melting-solidification cycle, a basal melting of a phase-change material, and finally, a water freezing case.