L'étude mathématique des modèles et des méthodes de calcul en électrophysiologie des tissus cardiaques constitue la principale motivation de mes travaux de recherche en mathématiques appliquées. Ces travaux ont trouvé des applications en imagerie médicale et en bioingénierie grâce aux simulations numériques que nous avons rendues possibles. Les équations d'électrocardiologie, de type réaction-diffusion dégénérée, peuvent être discrétisées efficacement par des méthodes de volumes finis. <br />Ce mémoire synthétise l'ensemble des résultats de mes travaux dans ces domaines, c'est à dire : analyse des équations aux dérivées partielles d'électrocardiologie, expérimentation et applications numériques d'une part; introduction de nouveaux schémas et analyse numérique de méthodes de volumes finis pour des problèmes de diffusion anisotrope, de convection-diffusion et des systèmes hyperboliques linéaires d'autre part.<br />Ces travaux visent une meilleure compréhension scientifique des équations de l'électrophysiologie et plus généralement du fonctionnement électrique d'un tissu cardiaque ou du coeur entier.

Cette thèse porte sur la limite singulière d'équations et de systèmes d'équations paraboliques non-inéaires de type bistable, avec des conditions initiales générales. Nous prouvons des propriétés de génération d'interface et analysons le déplacement d'interface. Nous obtenons une estimation nouvelle et<br />optimale de l'épaisseur et de la localisation de la zone de transition, améliorant ainsi des résultats connus pour différents problèmes modèles.

Att bygga täta hus är något som alltid eftersträvats. Till en början var det för att öka den inre komforten med att förhindra drag i golv och väggar för att senare få förståelsen för hur otätheter kan var skadlig för våra konstruktioner i form av de termiska drivkrafterna i konvektion och diffusion genom byggnadsskalet. Då byggnadskraven och regelverken blivit hårdare har byggnadsbranschen och forskarsamfundet utvecklat nya lösningar för att konstruera tätare hus. Med syftet att öka och bredda den allmänna, grundläggande förståelsen och kunskapen inom området görs en historisk sammanställning om hur täthet har uppnåtts. Sammanställningen börjar vid 1800-talets slut i den moderna byggnadskonsten ursprung. I varje epok undersöks vilka typer av lösningar som kan förväntas att finnas i olika konstruktioner och hustyper, vilka forskningsrapporter och litteratur har legat till grund för den historiska utvecklingen samt vilka regelverk som varit styrande under respektive epok. Arbetet fokuserar enbart på den svenska utvecklingen inom täthet och berör enbart träkonstruktioner.En litteraturstudie är det som ligger till grund för rapporten där rapporter, tidskrifter och byggnadsanvisningar granskas. En dialog har förts med utredningsingenjör Stig Johansson.Syftet med dialogen har varit för att kunna ge vägledning samt för att belysa viktiga tidpunkter som bör undersökas.  Vidare undersöks när man började förstå att tätheten inte enbart påverkade komforten utan också påverkade effektiviteten hos ventilationssystemen och värmeisoleringen, det vill säga den totala energiförbrukningen. Arbetet visar att läckaget är som störst i skarvar mellan yttervägg och vindsbjälklag, yttervägg och golvbjälklag, i folie/pappskarvar samt vid genomföringar genom tätskiktet. Här har olika metoder använts för att uppnå så god täthet som möjligt. Allt ifrån klämning av skarvar till häftning och tejpning. Tätning reagerar olika på fukt och beständigheten hos de olika lösningarna kan vara olika efter några år. Studien visar att det var i början av 70-talet som forskarsamfundet förstod hur tätheten påverkade energihushållningen och ventilationen. Då togs metoder fram för tryckmätning av konstruktioner och energihushållningen kunde då beräknas.  Följande slutsatser kan dras ifrån studien: Det invändiga tätskiktet har förändrats väldigt mycket under det senaste århundradet, antagligen har förändringen varit styrd av ”trial and error”. Förändringen i materialval ifrån förhydningspapp till plastfolie beror främst på plastfoliens lätthanterlighet vid förvaring och montering. Det finns inte ett entydigt svar till när man insåg att det invändiga tätskiktet gjort mer nytta än att enbart täta mot drag. Men troligtvis var det kring 20-talet då begreppet diffusion diskuteras i rapporter. Monteringstekniken har förändrats mycket sedan plastfolien lanserades på marknaden. Antagligen är denna förändring driven dels av ”trial and error” tillsammans med de forskningar som upptäckten av felen har motiverat. / Building houses with proper indoor environmental sealing is something that always has been strived after. At the beginning the purpose was to increase indoor comfort by stopping gusts of wind in floors and ceilings. Later, understanding was gained how leaks can be damaging for our constructions in the shape of thermal forces in convection and diffusion through the environment sealing. With the purpose of increasing and broadening the general, basic understanding and knowledge in the field a compilation from a historical perspective of how isolation is achieved. This essay is focused solely on the Swedish development in isolation of wooden structures. The foundation of this essay is based on a literature study where rapports, periodicals and building instructions are examined.  Another area of study that is examined here is when a proper understanding of the benefits of isolation was reached in relation to its impact on the efficiency of ventilation systems and heat isolation, which impacts the total energy consumption.  The following conclusion can be made from the study:  The indoor environment sealing has changed a lot in the latest hundred years and the change was probably made by ”trial and error”. The change in material is probably due to the easiness when using the plastic folie.      There is not only one answer to when the realization was made that the indoor sealing had more of a purpose than protection against gusts. But it was probably in the 1920´s.  The installation technique has change since the introduction of the plastic folie. The change was probably made by ”trial and error” or in a combination with the scientific discoveries that was made.

The hydraulic resistance characterization manuscript chronicles the early development of the hollow-core fiberoptic microneedle device (FMD). The study determined that for straight tubing with an inner bore of 150 ?m and a length greater than 50 mm long, Poiseuille's Law was shown to be accurate within 12% of experimental data for the pressure range of 69-517 kPa. Comparison between different needle design geometries indicated that tip diameters <55 ?m cause a significant increase in hydraulic resistance. Tubing length should be kept to a minimum and tip diameter should be kept above this threshold to reduce overall hydraulic resistance. The bladder treatment study describes the fabrication and testing of the FMD for treatment of invasive urothelial cell carcinomas (UCCs). Experiments investigating the fluid dispersal of single-walled carbon nanohorns (SWNHs) in the wall of inflated, healthy ex vivo bladders demonstrated that perfusion of 2 cm° on the bladder wall's surface can be achieved with a 5 minute infusion at 50 ?L/min. Irradiation of the SWNH perfused bladder wall tissue with a free space, 1064 nm laser at an irradiance of 0.95 W/cm° for 40 seconds yielded a 480% temperature increase relative to similar irradiation of a non-infused control. Co-delivery experiments demonstrated both SWNH and light delivery though a single hollow-core fiber to heat the bladder wall 33 °C with an irradiance of 400 W/cm°, demonstrating that the FMD can be used to achieve hyperthermia-based therapeutic effects via interstitial irradiation. / Master of Science

The thesis presents a comprehensive study of a posteriori error estimation in the adaptive solution to some classical elliptic partial differential equations. Several new error estimators are proposed for diffusion problems with discontinuous coefficients and for convection-reaction-diffusion problems with dominated convection/reaction. The robustness of the new estimators is justified theoretically. Extensive numerical results demonstrate the robustness of the new estimators for challenging problems and indicate that, compared to the well-known residual-type estimators, the new estimators are much more accurate.

Les travaux de cette thèse portent sur des méthodes de volumes finis sur maillages quelconque pour la discrétisation de problèmes d'évolution non linéaires modélisant le transport de contaminants en milieu poreux et les écoulements diphasiques.Au Chapitre 1, nous étudions une famille de schémas numériques pour la discrétisation d'une équation parabolique dégénérée de convection-reaction-diffusion modélisant le transport de contaminants dans un milieu poreux qui peut être hétérogène et anisotrope. La discrétisation du terme de diffusion est basée sur une famille de méthodes qui regroupe les schémas de volumes finis hybrides, de différences finies mimétiques et de volumes finis mixtes. Le terme de convection est traité à l'aide d'une famille de méthodes qui s'appuient sur les inconnues hybrides associées aux interfaces du maillage. Cette famille contient à la fois les schémas centré et amont. Les schémas que nous étudions permettent une discrétisation localement conservative des termes d'ordre un et d'ordre deux sur des maillages arbitraires en dimensions d'espace deux et trois. Nous démontrons qu'il existe une solution unique du problème discret qui converge vers la solution du problème continu et nous présentons des résultats numériques en dimensions d'espace deux et trois, en nous appuyant sur des maillages adaptatifs.Au Chapitre 2, nous proposons un schéma de volumes finis hybrides pour la discrétisation d'un problème d'écoulement diphasique incompressible et immiscible en milieu poreux. On suppose que ce problème a la forme d'une équation parabolique dégénérée de convection-diffusion en saturation couplée à une équation uniformément elliptique en pression. On considère un schéma implicite en temps, où les flux diffusifs sont discrétisés par la méthode des volumes finis hybride, ce qui permet de pouvoir traiter le cas d'un tenseur de perméabilité anisotrope et hétérogène sur un maillage très général, et l'on s'appuie sur un schéma de Godunov pour la discrétisation des flux convectifs, qui peuvent être non monotones et discontinus par rapport aux variables spatiales. On démontre l'existence d'une solution discrète, dont une sous-suite converge vers une solution faible du problème continu. On présente finalement des cas test bidimensionnels.Le Chapitre 3 porte sur un problème d'écoulement diphasique, dans lequel la courbe de pression capillaire admet des discontinuité spatiales. Plus précisément on suppose que l'écoulement prend place dans deux régions du sol aux propriétés très différentes, et l'on suppose que la loi de pression capillaire est discontinue en espace à la frontière entre les deux régions, si bien que la saturation de l'huile et la pression globale sont discontinues à travers cette frontière avec des conditions de raccord non linéaires à l'interface. On discrétise le problème à l'aide d'un schéma, qui coïncide avec un schéma de volumes finis standard dans chacune des deux régions, et on démontre la convergence d'une solution approchée vers une solution faible du problème continu. Les test numériques présentés à la fin du chapitre montrent que le schéma permet de reproduire le phénomène de piégeage de la phase huile.

Les travaux de cette thèse portent sur des méthodes de volumes finis sur maillages quelconque pour la discrétisation de problèmes d'évolution non linéaires modélisant le transport de contaminants en milieu poreux et les écoulements diphasiques.Au Chapitre 1, nous étudions une famille de schémas numériques pour la discrétisation d'une équation parabolique dégénérée de convection-reaction-diffusion modélisant le transport de contaminants dans un milieu poreux qui peut être hétérogène et anisotrope. La discrétisation du terme de diffusion est basée sur une famille de méthodes qui regroupe les schémas de volumes finis hybrides, de différences finies mimétiques et de volumes finis mixtes. Le terme de convection est traité à l'aide d'une famille de méthodes qui s'appuient sur les inconnues hybrides associées aux interfaces du maillage. Cette famille contient à la fois les schémas centré et amont. Les schémas que nous étudions permettent une discrétisation localement conservative des termes d'ordre un et d'ordre deux sur des maillages arbitraires en dimensions d'espace deux et trois. Nous démontrons qu'il existe une solution unique du problème discret qui converge vers la solution du problème continu et nous présentons des résultats numériques en dimensions d'espace deux et trois, en nous appuyant sur des maillages adaptatifs.Au Chapitre 2, nous proposons un schéma de volumes finis hybrides pour la discrétisation d'un problème d'écoulement diphasique incompressible et immiscible en milieu poreux. On suppose que ce problème a la forme d'une équation parabolique dégénérée de convection-diffusion en saturation couplée à une équation uniformément elliptique en pression. On considère un schéma implicite en temps, où les flux diffusifs sont discrétisés par la méthode des volumes finis hybride, ce qui permet de pouvoir traiter le cas d'un tenseur de perméabilité anisotrope et hétérogène sur un maillage très général, et l'on s'appuie sur un schéma de Godunov pour la discrétisation des flux convectifs, qui peuvent être non monotones et discontinus par rapport aux variables spatiales. On démontre l'existence d'une solution discrète, dont une sous-suite converge vers une solution faible du problème continu. On présente finalement des cas test bidimensionnels.Le Chapitre 3 porte sur un problème d'écoulement diphasique, dans lequel la courbe de pression capillaire admet des discontinuité spatiales. Plus précisément on suppose que l'écoulement prend place dans deux régions du sol aux propriétés très différentes, et l'on suppose que la loi de pression capillaire est discontinue en espace à la frontière entre les deux régions, si bien que la saturation de l'huile et la pression globale sont discontinues à travers cette frontière avec des conditions de raccord non linéaires à l'interface. On discrétise le problème à l'aide d'un schéma, qui coïncide avec un schéma de volumes finis standard dans chacune des deux régions, et on démontre la convergence d'une solution approchée vers une solution faible du problème continu. Les test numériques présentés à la fin du chapitre montrent que le schéma permet de reproduire le phénomène de piégeage de la phase huile. / In Chapter 1 we study a family of finite volume schemes for the numerical solution of degenerate parabolic convection-reaction-diffusion equations modeling contaminant transport in porous media. The discretization of possibly anisotropic and heterogeneous diffusion terms is based upon a family of numerical schemes, which include the hybrid finite volume scheme, the mimetic finite difference scheme and the mixed finite volume scheme. One discretizes the convection term by means of a family of schemes which makes use of the discrete unknowns associated to the mesh interfaces, and contains as special cases an upwind scheme and a centered scheme. The numerical schemes which we study are locally conservative and allow computations on general multi-dimensional meshes. We prove that the unique discrete solution converges to the unique weak solution of the continuous problem. We also investigate the solvability of the linearized problem obtained during Newton iterations. Finally we present a number of numerical results in space dimensions two and three using nonconforming adaptive meshes and show experimental orders of convergence for upwind and centered discretizations of the convection term.In Chapter 2 we propose a finite volume method on general meshes for the numerical simulation of an incompressible and immiscible two-phase flow in porous media. We consider the case that it can be written as a coupled system involving a degenerate parabolic convection-diffusion equation for the saturation together with a uniformly elliptic equation for the global pressure. The numerical scheme, which is implicit in time, allows computations in the case of a heterogeneous and anisotropic permeability tensor. The convective fluxes, which are non monotone with respect to the unknown saturation and discontinuous with respect to the space variables, are discretized by means of a special Godunov scheme. We prove the existence of a discrete solution which converges, along a subsequence, to a solution of the continuous problem. We present a number of numerical results in space dimension two, which confirm the efficiency of the numerical method.Chapter 3 is devoted to the study of a two-phase flow problem in the case that the capillary pressure curve is discontinuous with respect to the space variable. More precisely we assume that the porous medium is composed of two different rocks, so that the capillary pressure is discontinuous across the interface between the rocks. As a consequence the oil saturation and the global pressure are discontinuous across the interface with nonlinear transmission conditions. We discretize the problem by means of a numerical scheme which reduces to a standard finite volume scheme in each sub-domain and prove the convergence of a sequence of approximate solutions towards a weak solution of the continuous problem. The numerical tests show that the scheme can reproduce the oil trapping phenomenon.

Les travaux de cette thèse portent sur des méthodes numériques pour la discrétisation d'équations aux dérivées partielles elliptiques et paraboliques de convection-réaction-diffusion non linéaires. Nous analysons ces méthodes et nous les appliquons à la simulation effective de l'écoulement et du transport de contaminants en milieux poreux et fracturés. Au chapitre 1, nous proposons un schéma permettant une discrétisation efficace, robuste, conservative et stable des équations de convection-réaction-diffusion non linéaires paraboliques dégénérées sur des maillages non structurés en dimensions deux ou trois d'espace. Nous discrétisons le terme de diffusion, qui contient en général un tenseur de diffusion inhomogène et anisotrope, par la méthode des éléments finis non conformes ou mixtes-hybrides et les autres termes par la méthode des volumes finis. La partie essentielle du chapitre est ensuite consacrée à montrer l'existence et l'unicité d'une solution discrète et sa convergence vers une solution faible du problème continu. La méthode de démonstration permet en particulier d'éviter des hypothèses restrictives sur le maillage souvent présentes dans la littérature. Nous proposons finalement une variante de ce schéma pour des maillages qui ne se raccordent pas, couplant cette fois la méthode des volumes finis avec celle des éléments finis conformes, et nous l'appliquons à la simulation du transport de contaminants en milieux poreux. Au chapitre 2, nous présentons une démonstration constructive des inégalités de Poincaré-Friedrichs discrètes pour une classe d'approximations non conformes de l'espace de Sobolev H1, indiquons les valeurs optimales des constantes dans ces inégalités et montrons l'inégalité de Friedrichs discrète pour des domaines bornés dans une direction uniquement. Ces résultats sont importants dans l'analyse de méthodes numériques non conformes, comme les méthodes d'éléments finis non conformes ou de Galerkin discontinu. Au chapitre 3, nous montrons que la méthode des éléments finis mixtes de Raviart-Thomas de plus bas degré pour des problèmes elliptiques en dimension deux ou trois d'espace est équivalente à un schéma de volumes finis à plusieurs points. Après avoir étudié ce schéma, nous l'appliquons à la discrétisation d'équations de convection-réaction-diffusion paraboliques non linéaires. Cette approche permet de réduire le temps de calcul de la méthode des éléments finis mixtes, tout en conservant sa très grande précision, ce qui est confirmé par les tests numériques. Enfin, au chapitre 4, nous proposons une version de la méthode des éléments finis mixtes de Raviart-Thomas de plus bas degré pour la résolution de problèmes elliptiques sur un système de polygones bidimensionnels placés dans l'espace tridimensionnel, démontrons qu'elle est bien posée et étudions sa relation avec la méthode des éléments finis non conformes. Ces résultats sont finalement appliqués à la simulation de l'écoulement de l'eau souterraine dans un système de polygones représentant un réseau de fractures perturbant un massif rocheux.