Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés spectrales des opérateurs non-auto-adjoints aléatoires. Nous allons considérer principalement les cas des petites perturbations aléatoires de deux types des opérateurs non-auto-adjoints suivants :1. une classe d’opérateurs non-auto-adjoints h-différentiels Ph, introduite par M. Hager [32],dans la limite semiclassique (h→0); 2. des grandes matrices de Jordan quand la dimension devient grande (N→∞). Dans le premier cas nous considérons l’opérateur Ph soumis à de petites perturbations aléatoires. De plus, nous imposons que la constante de couplage δ vérifie e (-1/Ch) ≤ δ ⩽ h(k), pour certaines constantes C, k > 0 choisies assez grandes. Soit ∑ l’adhérence de l’image du symbole principal de Ph. De précédents résultats par M. Hager [32], W. Bordeaux-Montrieux [4] et J. Sjöstrand [67] montrent que, pour le même opérateur, si l’on choisit δ ⪢ e(-1/Ch), alors la distribution des valeurs propres est donnée par une loi de Weyl jusqu’à une distance ⪢ (-h ln δ h) 2/3 du bord de ∑. Nous étudions la mesure d’intensité à un et à deux points de la mesure de comptage aléatoire des valeurs propres de l’opérateur perturbé. En outre, nous démontrons des formules h-asymptotiques pour les densités par rapport à la mesure de Lebesgue de ces mesures qui décrivent le comportement d’un seul et de deux points du spectre dans ∑. En étudiant la densité de la mesure d’intensité à un point, nous prouvons qu’il y a une loi de Weyl à l’intérieur du pseudospectre,une zone d’accumulation des valeurs propres dûe à un effet tunnel près du bord du pseudospectre suivi par une zone où la densité décroît rapidement. En étudiant la densité de la mesure d’intensité à deux points, nous prouvons que deux valeurs propres sont répulsives à distance courte et indépendantes à grande distance à l’intérieur de ∑. Dans le deuxième cas, nous considérons des grands blocs de Jordan soumis à des petites perturbations aléatoires gaussiennes. Un résultat de E.B. Davies et M. Hager [16] montre que lorsque la dimension de la matrice devient grande, alors avec probabilité proche de 1, la plupart des valeurs propres sont proches d’un cercle. De plus, ils donnent une majoration logarithmique du nombre de valeurs propres à l’intérieur de ce cercle. Nous étudions la répartition moyenne des valeurs propres à l’intérieur de ce cercle et nous en donnons une description asymptotique précise. En outre, nous démontrons que le terme principal de la densité est donné par la densité par rapport à la mesure de Lebesgue de la forme volume induite par la métrique de Poincaré sur la disque D(0, 1). / In this thesis we are interested in the spectral properties of random non-self-adjoint operators. Weare going to consider primarily the case of small random perturbations of the following two types of operators: 1. a class of non-self-adjoint h-differential operators Ph, introduced by M. Hager [32], in the semiclassical limit (h→0); 2. large Jordan block matrices as the dimension of the matrix gets large (N→∞). In case 1 we are going to consider the operator Ph subject to small Gaussian random perturbations. We let the perturbation coupling constant δ be e (-1/Ch) ≤ δ ⩽ h(k), for constants C, k > 0 suitably large. Let ∑ be the closure of the range of the principal symbol. Previous results on the same model by M. Hager [32], W. Bordeaux-Montrieux [4] and J. Sjöstrand [67] show that if δ ⪢ e(-1/Ch) there is, with a probability close to 1, a Weyl law for the eigenvalues in the interior of the pseudospectrumup to a distance ⪢ (-h ln δ h) 2/3 to the boundary of ∑. We will study the one- and two-point intensity measure of the random point process of eigenvalues of the randomly perturbed operator and prove h-asymptotic formulae for the respective Lebesgue densities describing the one- and two-point behavior of the eigenvalues in ∑. Using the density of the one-point intensity measure, we will give a complete description of the average eigenvalue density in ∑ describing as well the behavior of the eigenvalues at the pseudospectral boundary. We will show that there are three distinct regions of different spectral behavior in ∑. The interior of the of the pseudospectrum is solely governed by a Weyl law, close to its boundary there is a strong spectral accumulation given by a tunneling effect followed by a region where the density decays rapidly. Using the h-asymptotic formula for density of the two-point intensity measure we will show that two eigenvalues of randomly perturbed operator in the interior of ∑ exhibit close range repulsion and long range decoupling. In case 2 we will consider large Jordan block matrices subject to small Gaussian random perturbations. A result by E.B. Davies and M. Hager [16] shows that as the dimension of the matrix gets large, with probability close to 1, most of the eigenvalues are close to a circle. They, however, only state a logarithmic upper bound on the number of eigenvalues in the interior of that circle. We study the expected eigenvalue density of the perturbed Jordan block in the interior of thatcircle and give a precise asymptotic description. Furthermore, we show that the leading contribution of the density is given by the Lebesgue density of the volume form induced by the Poincarémetric on the disc D(0, 1).

La ventilation joue un rôle important dans le confort thermique des occupants d'un bâtiment en climat chaud, en contribuant au rafraîchissement de l'air qui les entoure. Qu'elle soit mécanique ou naturelle, la ventilation doit être maîtrisée pour ne pas gêner l'occupant et respecter des normes ou réglementations en vigueur. Ces gênes sont liées à des vitesses d'air ou à une intensité turbulente trop élevée. Les concepteurs doivent alors faire appel à l'outil numérique pour une prédiction fine des écoulements d'air. La simulation de configurations à l'échelle du bâtiment peut se faire par une approche moyennée des équations de Navier-Stokes en complément d'un modèle de turbulence. Ces simulations sont utilisées par les chercheurs comme des outils de dimensionnement, ou encore, d'optimisation des composants de ventilation. De plus, la forme des bouches de ventilation peut contribuer passivement à l'optimisation de certains phénomènes aérauliques. L'amélioration de ces formes peut ainsi se faire par l'utilisation de méthodes d'optimisation de forme. L'optimisation topologique par ajout de matière permet de trouver des formes pour optimiser des fonctionnelles objectifs définies sur le fluide ou sur ses frontières. C'est sur cette méthode que ces travaux de thèse se concentrent pour proposer un outil de contrôle des écoulements d'air dans le bâtiment par la recherche de formes optimales de bouches de ventilation. Ces travaux de thèse proposent une contribution à l'optimisation topologique d'écoulements turbulents dans le bâtiment. Dans un premier temps, la méthode par ajout de matière est appliquée pour minimiser les pertes de charge dans une conduite d'aération en forme de Té. Le modèle adjoint développé est soumis à l'hypothèse de turbulence gelée. Dans un second temps le modèle adjoint complet est proposé pour le modèle de turbulence standard k-epsilon pour la réduction des pertes de charge d'une part et de l'intensité turbulente d'autre part. Enfin, ces outils sont appliqués à l'optimisation de forme de bouches de ventilation. Les résultats montrent ainsi un bon potentiel de l'optimisation topologique par ajout de matière pour l'orientation des écoulements d'air mais ne garantissent pas la maîtrise des vitesses d'air dans la pièce. De plus, la minimisation de l'intensité turbulente grâce à l'approche complète développée a contribué à la réduction du taux d'insatisfaction lié à une intensité turbulente trop élevée dans la pièce. / Ventilation plays a key role in thermal comfort of building's occupants in hot climates by refreshing air surrounding them. Mechanical or natural ventilation must be controlled for two reasons: do not disturb the bulding's occupants and comply with the regulations in force. Discomfort is linked to too high air velocities or turbulent intensity. Designers can use the numerical tools for a finer prediction of airflow. The simulation of configurations at the building scale can be done using averaged Navier-Stokes equations approach in addition to a turbulence model. These simulations are used by researchers as sizing tools or for the optimization of ventilation components. In addition, the shape of the ventilation nozzle can passively contributes to the optimization of some aeraulics phenomena. The improvement of these ventilation components can be achieved by the use of shape optimization methods. Topological optimization by addition of material makes it possible for the optimization of cost functions defined on the fluid or on its boundaries. The main objective of this manuscript is to propose a tool to control airflows in building by the search for optimal shape of ventilation nozzle. This work proposes a contribution to the topological optimization of turbulent flows in buildings. In a first step, topological optimization by adding material is applied to minimize pressure losses in a T-shaped pipe. The developed model is subjected to the hypothesis of the frozen turbulence. In a second step, the complete adjoint model is proposed for the standard turbulence model k-epsilon for the minimization of the total pressure losses on the one hand and the turbulent intensity on the other hand. Finally, these tools are applied to the shape optimization of ventilation nozzle. The results of topological optimization by adding virtual material show good potential for the orientation of the airflows but does not guarantee the control of the air velocities in the room. Moreover, the minimization of turbulent intensity through the complete approach contributed to the reduction of the dissatisfaction rate due to excessive turbulent intensity in the room.

Philosophiae Doctor - PhD / In recent years, there has been a great interest towards the higher order numerical methods for singularly perturbed problems. As compared to their lower order counterparts, they provide better accuracy with fewer mesh points. Construction and/or implementation of direct higher order methods is usually very complicated. Thus a natural choice is to use some convergence acceleration techniques, e.g., Richardson extrapolation, defect correction, etc. In this thesis, we will consider various classes of problems described by singularly perturbed ordinary and partial differential equations. For these problems, we design some novel numerical methods and attempt to increase their accuracy as well as the order of convergence. We also do the same for existing numerical methods in some instances. We find that, even though the Richardson extrapolation technique always improves the accuracy, it does not perform equally well when applied to different methods for certain classes of problems. Moreover, while in some cases it improves the order of convergence, in other cases it does not. These issues are discussed in this thesis for linear and nonlinear singularly perturbed ODEs as well as PDEs. Extrapolation techniques are analyzed thoroughly in all the cases, whereas the limitations of the defect correction approach for certain problems is indicated at the end of the thesis. / South Africa

This thesis introduces a topology optimization approach to design, from scratch, efficient microwave devices, such as antennas and waveguide transitions. The design of these devices is formulated as a general optimization problem that aims to build the whole layout of the device in order to extremize a chosen objective function. The objective function quantifies some required performance and is evaluated using numerical solutions to the 3D~Maxwell's equations by the finite-difference time-domain (FDTD) method. The design variables are the local conductivity at each Yee~edge in a given design domain, and a gradient-based optimization method is used to solve the optimization problem. In all design problems, objective function gradients are computed based on solutions to adjoint-field problems, which are also FDTD discretization of Maxwell's equations but solved with different source excitations. For any number of design variables, the computation of the objective function gradient requires one solution to the original field problem and one solution to the associated adjoint-field problem. The optimization problem is solved iteratively using the globally convergent Method of Moving Asymptotes (GCMMA). By the proposed approach, various design problems, including tens of thousands of design variables, are formulated and solved in a few hundred iterations. Examples of solved design problems are the design of wideband antennas, dual-band microstrip antennas, wideband directive antennas, and wideband coaxial-to-waveguide transitions. The fact that the proposed approach allows a fine-grained control over the whole layout of such devices results in novel devices with favourable performance. The optimization results are successfully verified with a commercial software package. Moreover, some devices are fabricated and their performance is successfully validated by experiments.

This work represents the initial steps in a wider project that aims to map out the sensitive areas in fuel injectors and combustion chambers. Direct numerical simulation (DNS) using a Low-Mach-number formulation of the Navier–Stokes equations is used to calculate direct-linear and adjoint global modes for axisymmetric low-density jets and lifted jet diffusion flames. The adjoint global modes provide a map of the most sensitive locations to open-loop external forcing and heating. For the jet flows considered here, the most sensitive region is at the inlet of the domain. The sensitivity of the global-mode eigenvalues to force feedback and to heat and drag from a hot-wire is found using a general structural sensitivity framework. Force feedback can occur from a sensor-actuator in the flow or as a mechanism that drives global instability. For the lifted flames, the most sensitive areas lie between the inlet and flame base. In this region the jet is absolutely unstable, but the close proximity of the flame suppresses the global instability seen in the non-reacting case. The lifted flame is therefore particularly sensitive to outside disturbances in the non-reacting zone. The DNS results are compared to a local analysis. The most absolutely unstable region for all the flows considered is at the inlet, with the wavemaker slightly downstream of the inlet. For lifted flames, the region of largest sensitivity to force feedback is near to the location of the wavemaker, but for the non-reacting jet this region is downstream of the wavemaker and outside of the pocket of absolute instability near the inlet. Analysing the sensitivity of reacting and non-reacting variable-density shear flows using the low-Mach-number approximation has up until now not been done. By including reaction, a large forward step has been taken in applying these techniques to real fuel injectors.

The goal of this diploma thesis is to design a new shape of the draft tube, which will be easier to manufacture while maintaining good strength and hydraulic properties. First part of this thesis is devoted to the formulation of the problem, description of the swirl turbine, principle of operation, the basic variants of arrangement, also the function of the draft tube, its efficiency and other formulas. In the second part of this thesis is a CFD and strength analysis of the original design, also a new design is proposed and the possibility of optimization using ANSYS Fluent Adjoint solver.

Le mode adjoint de la Différentiation Algorithmique (DA) est particulièrement intéressant pour le calcul des gradients. Cependant, ce mode utilise les valeurs intermédiaires de la simulation d'origine dans l'ordre inverse à un coût qui augmente avec la longueur de la simulation. La DA cherche des stratégies pour réduire ce coût, par exemple en profitant de la structure du programme donné. Dans ce travail, nous considérons d'une part le cas des boucles à point-fixe pour lesquels plusieurs auteurs ont proposé des stratégies adjointes adaptées. Parmi ces stratégies, nous choisissons celle de B. Christianson. Nous spécifions la méthode choisie et nous décrivons la manière dont nous l'avons implémentée dans l'outil de DA Tapenade. Les expériences sur une application de taille moyenne montrent une réduction importante de la consommation de mémoire. D'autre part, nous étudions le checkpointing dans le cas de programmes parallèles MPI avec des communications point-à-point. Nous proposons des techniques pour appliquer le checkpointing à ces programmes. Nous fournissons des éléments de preuve de correction de nos techniques et nous les expérimentons sur des codes représentatifs. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen ``AboutFlow'' / The adjoint mode of Algorithmic Differentiation (AD) is particularly attractive for computing gradients. However, this mode needs to use the intermediate values of the original simulation in reverse order at a cost that increases with the length of the simulation. AD research looks for strategies to reduce this cost, for instance by taking advantage of the structure of the given program. In this work, we consider on one hand the frequent case of Fixed-Point loops for which several authors have proposed adapted adjoint strategies. Among these strategies, we select the one introduced by B. Christianson. We specify further the selected method and we describe the way we implemented it inside the AD tool Tapenade. Experiments on a medium-size application shows a major reduction of the memory needed to store trajectories. On the other hand, we study checkpointing in the case of MPI parallel programs with point-to-point communications. We propose techniques to apply checkpointing to these programs. We provide proof of correctness of our techniques and we experiment them on representative CFD codes

<p>NR 20140805</p>

Bei der Berechnung von Adjungierten, zum Debuggen und für ähnliche Anwendungen kann man die Umkehr der entsprechenden Programmauswertung verwenden. Der einfachste Ansatz, nämlich das Mitschreiben einer kompletten Mitschrift der Vorwärtsrechnung, welche anschließend rückwärts gelesen wird, verursacht einen enormen Speicherplatzbedarf. Als Alternative dazu kann man die Mitschrift auch stückweise erzeugen, indem die Programmauswertung von passend gewählten Checkpoints wiederholt gestartet wird. Das Ziel der Arbeit ist die Minimierung des von der Programmumkehr verursachten Zeit- und Speicherplatzbedarfs. Dieser wird gemessen in Auswertungswiederholungen bzw. verwendeten Checkpoints. Optimale Umkehrschemata werden für Ein- und Mehr-Schritt-Verfahren entwickelt, welche zum Beispiel bei der Diskretisierung einer gewöhnlichen Differentialgleichung Verwendung finden. Desweiteren erfolgte die Entwicklung von parallelen Umkehrschemata, d. h. mehrere Prozessoren werden für die Umkehrung der Programmauswertung eingesetzt. Diese zusätzlichen Prozessoren dienen dazu, die wiederholten Berechnungen des Programms zu parallelisieren, so daß ein Prozessor die Rückwartsrechnung ohne Unterbrechung durchführen kann. Sowohl für die seriellen als auch für die parallelen Umkehrschemata wurde gezeigt, daß die Länge der umzukehrenden Programmauswertung exponentiell in Abhängigkeit von der Zahl der verwendeten Checkpoints und der Zahl der wiederholten Auswertungen bzw. verwendeten Prozessoren wächst. / For adjoint calculations, parameter estimation, and similar purposes one may need to reverse the execution of a computer program. The simplest option is to record a complete execution log and then to read it backwards. This requires massive amounts of storage. Instead one may generate the execution log piecewise by restarting the ``forward'' calculation repeatedly from suitably placed checkpoints. The basic structure of the resulting reversal schedules is illustrated. Various strategies are analysed with respect to the resulting temporal and spatial complexity on serial and parallel machines. For serial machines known optimal compromises between operations count and memory requirement are explained, and they are extended to more general situations. For program execution reversal on multi-processors the new challenges and demands on an optimal reversal schedule are described. We present parallel reversal schedules that are provably optimal with regards to the number of concurrent processes and the total amount of memory required.

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