Three dimensional flow regimes are encountered in many types of industrial flow processes such as filtration, mixing, reaction engineering, polymerization and polymer forming as well as environmental systems. Thus, the analyses of phenomena involved fluid flow are of great importance and have been subject of numerous ongoing research projects. The analysis of these important phenomena can be conducted in laboratory through experiments or simply by using the emerging computational fluid dynamics (CFD) techniques. But when dealing with three dimensional fluid flow problems, the complexities encountered make the analysis via the traditional experimental techniques a daunting task. For this reason, researchers often prefer to use the CFD techniques which with some care taken, often produce accurate and stable results while maintaining cost as low as possible. Many CFD codes have been developed and tested in the past decades and the results have been successful and thus encouraging researchers to develop new codes and/or improve existing codes for the solutions of real world problems. In this present project, CFD techniques are used to simulate the fluid flow phenomena of interest by solving the flow governing equations numerically through the use of a personal computer. The aim of this present research is to develop a robust and reliable technique which includes a novel aspect for the solution of three dimensional generalized Newtonian fluids in domains including obstructions, and this must be done bearing in mind that both accuracy and cost efficiency have to be achieved. To this end, the finite element method (FEM) is chosen as the CFD computational method. There are many existing FEM techniques namely the streamline upwind Petrov-Galerkin methods, the streamline diffusion methods, the Taylor-Galerkin methods, among others. But after a thorough analysis of the physical conditions (geometries, governing equations, boundary conditions, assumptions …) of the fluid flow problems to be solve in this project, the appropriate scheme chosen is the UVWP family of the mixed finite element methods. It is scheme originally developed to solve two dimensional fluid flow problems but since the scheme produced accurate and stable results for two dimensional problems, then attempt is made in this present study to develop a new version of the UVWP scheme for the numerical analysis of three dimensional fluid flow problems. But, after some initial results obtained using the developed three dimensional scheme, investigations were made during the course of this study on how to speed up solutions' convergence without affecting the cost efficiency of the scheme. The outcomes of these investigations yield to the development of a novel scheme named the modified three dimensional UVWP scheme. Thus a computer model based on these two numerical schemes (UVWP and the Modified UVWP) is developed, tested, and validated through some benchmark problems, and then the model is used to solve some complicated tests problems in this study. Results obtained are accurate, and stable, moreover, the cost efficiency of the computer model must be mentioned because all the simulations carried out are done using a simple personal computer.

Cette thèse est consacrée à certains modèles mathématiques décrivant le mouvement d'une population de cellules, qui interagissent via un signal chimique. L'accent est mis sur le modèle parabolique de Patlak-Keller-Segel, et dans une moindre mesure, sur le modèle cinétique d'Othmer-Dunbar-Alt.<br /><br />Dans une première partie nous étudions plusieurs variantes du modèle PKS classique, incluant notamment une diffusion non-linéaire des cellules, ou bien une loi de diffusion chimique à noyau de Green logarithmique. Puis nous montrons l'existence globale pour une masse sous-critique du modèle PKS classique dans tout l'espace $\mathbb{R}^2$.<br />On complexifie ensuite le modèle de base en ajoutant un intermédiaire chimique réactionnel, ce qui modifie l'homogénéité du système. Enfin les conditions d'existence globale pour le modèle cinétique ODA avec effets délocalisants sont affaiblies par rapport aux travaux précédents.<br /><br />Dans une deuxième partie nous appliquons le modèle phénoménologique de PKS, et son principe de masse critique, à un processus d'auto-organisation remarquable dans le cerveau: la sclérose concentrique de Baló. Un couplage adéquat entre un front de propagation et une instabilité de PKS décrit raisonnablement les motifs en anneaux de la maladie.<br /><br />La troisième partie adopte le point de vue du transport optimal de masse pour analyser le modèle de PKS unidimensionnel modifié auparavant (afin de partager les caractéristiques de PKS 2D). Bien que la fonctionnelle d'énergie ne soit pas convexe par déplacement, nous démontrons la convergence vers un unique état d'équilibre, lorsqu'il existe. Ces nouvelles idées sont mises en oeuvre numériquement~: un flot gradient discret pour la distance de Wasserstein est analysé, puis simulé en dimension un d'espace.<br /><br />Plusieurs annexes viennent compléter ce travail, dont une annexe qui regroupe tous les aspects numériques de la thèse.

Nous etudions dans cette these differentes lois de conservation hyperboliques associees a la modelisation des ecoulements en eaux peu profondes.<br />Nous nous consacrons d'abord a l'analyse numerique du systeme de Saint-Venant avec termes sources. Nous presentons un schema volumes finis bidimensionnel d'ordre 2, conservatif et consistant, qui s'appuie sur une interpretation cinetique du systeme et une methode de reconstruction hydrostatique des variables aux interfaces. Ce schema preserve la positivite de la hauteur d'eau et l'etat stationnaire associe au lac au repos.<br />Nous etendons ensuite l'interpretation cinetique au couplage du systeme avec une equation de transport. Nous construisons un schema volumes finis a deux pas de temps, qui permet de prendre en compte les differentes vitesses de propagation de l'information presentes dans le probleme. Cette approche preserve les proprietes de stabilite du systeme et reduit sensiblement la diffusion numerique et les temps de calcul.<br />Nous proposons egalement un nouveau modele de Saint-Venant multicouche, qui permet de retrouver des profils de vitesse non constants, tout en preservant le caractere invariant et bidimensionnel du domaine de definition. Nous presentons sa derivation a partir des equations de Navier-Stokes et une etude de stabilite - energie, hyperbolicite. Nous etudions egalement ses relations avec d'autres modeles fluides et sa mise en oeuvre numerique, la encore basee sur l'utilisation des schemas cinetiques.<br />Enfin nous etablissons un theoreme d'unicite pour les lois de conservation scalaires avec flux discontinus. La preuve est basee sur l'utilisation d'une nouvelle famille d'entropies, qui constituent une adaptation naturelle des entropies de Kruzkov classiques au cas discontinu. Cette methode permet de lever certaines hypotheses classiques sur le flux - convexite, existence de bornes BV, nombre fini de discontinuites - et ne necessite pas l'introduction d'une condition d'interface.