A numerical solution algorithm based on finite volume method is developed for unsteady, two-dimensional, depth-averaged shallow water flow equations. The model is verified using test cases from the literature and free surface data obtained from measurements in a laboratory flume. Experiments are carried out in a horizontal, rectangular channel with vertical solid boxes attached on the sidewalls to obtain freesurface data set in flows where three-dimensionality is significant. Experimental data contain both subcritical and supercritical states. The shallow water equations are solved on a structured, rectangular grid system. Godunov type solution procedure evaluates the interface fluxes using an upwind method with an exact Riemann solver. The numerical solution reproduces analytical solutions for the test cases successfully. Comparison of the numerical results with the experimental two-dimensional free surface data is used to illustrate the limitations of the shallow water equations and improvements necessary for better simulation of such cases.

[inget abstract finns]

Cette thèse s'intéresse à la simulation numérique de l'explosion vapeur. Ce phénomène correspond à une vaporisation instantanée d'un volume d'eau liquide entraînant un choc de pression. Nous nous y intéressons dans le cadre de la sûreté nucléaire. En effet, lors d'un accident entraînant la fusion du cœur du réacteur, du métal fondu pourrait interagir avec de l'eau liquide et entraîner un tel choc. On voudrait alors connaître l'ampleur de ce phénomène et les risques d'endommagements de la centrale qu'il implique. Pour y parvenir, nous utilisons pour modèle les équations d'Euler dans un cadre Lagrangien. Cette description a l'avantage de suivre les fluides au cours du temps et donc de parfaitement conserver les interfaces entre l'eau liquide et sa vapeur. Pour résoudre numériquement les équations obtenues, nous développons un nouveau schéma de type Godunov utilisant des flux nodaux. Le solveur nodal développé durant cette thèse ne dépend que de la répartition angulaire des variables physiques autour du nœud. De plus, nous nous intéressons aux changements de phase liquide-vapeur. Nous proposons une méthode pour les prendre en compte et mettons en avant les avantages qu'il y a à l'implémentation de ce phénomène dans un algorithme Lagrangien. / This thesis studies numerical simulation of steam explosion. This phenomenon correspond to a fast vaporization of a liquid leading to a pressure shock. It is of interest in the nuclear safety field. During a core-meltdown crisis, molten fuel rods interacting with water could lead to steam explosion. Consequently we want to evaluate the risks created by this phenomenon.In order to do it, we use Euler equations written in a Lagrangian form. This description has the advantage of following the fluid motion and consequently preserves interfaces between the liquid and its vapor. To solve these equations, we develop a new Godunov type scheme using nodal fluxes. The nodal solver developed here only depends on the angular repartition of the physical variables around the node.Moreover, we study liquid-vapor phase changes. We describe a method to take it into account and highlight the advantages of using this method into a Lagrangian framework.

Cette thèse porte sur la résolution numérique du modèle multi-dimensionnel d'écoulement cisaillé en eau peu profonde. Dans le cas d'un mouvement unidimensionnel, ces équations coïncident avec les équations de la dynamique de gaz pour un choix particulier de l'équation d'état. Dans le cas multi-dimensionnel, le système est complètement différent du modèle de la dynamique de gaz. Il s'agit d'un système EDP hyperbolique 2D non-conservatif qui rappelle un modèle de turbulence barotrope. Le modèle comporte trois types d'ondes correspondant à la propagation des ondes de surface, des ondes de cisaillement et à celle de la discontinuité de contact. Nous présentons dans le cas 2D un schéma numérique basé sur une nouvelle approche de ``splitting" pour les systèmes d'équations non-conservatives. Chaque sous-système ne contient qu'une seule famille d'ondes: ondes de surface ou ondes de cisaillement, et discontinuité de contact. La précision d'une telle approche est testée sur des solutions exactes 2D décrivant l'écoulement lorsque la vitesse est linéaire par rapport aux variables spatiales, ainsi que sur des solutions décrivant des trains de rouleaux 1D. Finalement, nous modélisons un ressaut hydraulique circulaire formé dans un écoulement convergent radial d'eau. Les résultats numériques obtenus sont clairement similaires à ceux obtenus expérimentalement: oscillations du ressaut et son rotation avec formation du point singulier. L'ensemble des validations proposées dans ce manuscrit démontre les aptitudes du modèle et de la méthode numérique pour la résolution des problèmes complexes d'écoulements cisaillés en eau peu profonde multidimensionnels. / This thesis is devoted to the numerical modelling of multi-dimensional shear shallow water flows. In 1D case, the corresponding equations coincide with the equations describing non--isentropic gas flows with a special equation of state. However, in the multi-D case, the system differs significantly from the gas dynamics model. This is a 2D hyperbolic non-conservative system of equations which is reminiscent of a generic Reynolds averaged model of barotropic turbulent flows. The model has three families of characteristics corresponding to the propagation of surface waves, shear waves and average flow (contact characteristics). First, we show the ability of the one-dimensional conservative shear shallow water model to predict the formation of roll-waves from unstable initial data. The stability of roll waves is also studied.Second, we present in 2D case a new numerical scheme based on a splitting approach for non-conservative systems of equations. Each split subsystem contains only one family of waves (either surface or shear waves) and contact characteristics. The accuracy of such an approach is tested on exact 2D solutions describing the flow where the velocity is linear with respect to the space variables, and on the solutions describing 1D roll waves. Finally, we model a circular hydraulic jump formed in a convergent radial flow of water. Obtained numerical results are qualitatively similar to those observed experimentally: oscillation of the hydraulic jump and its rotation with formation of a singular point. These validations demonstrate the capability of the model and numerical method to solve challenging multi--dimensional problems of shear shallow water flows.

Les modèles aux moments angulaires constituent des descriptions intermédiaires entre les modèles cinétiques et les modèles fluides. Dans ce manuscrit, les modèles aux moments angulaires basés sur un principe de minimisation d'entropie sont étudiés pour des applications en physique des plasmas. Ce mémoire se découpe en trois parties. La première est une contribution à la modélisation en physique des plasmas à travers le formalisme des modèles aux moments angulaires. Dans celle-ci, le domaine de validité de ces modèles est étudié en régimes non-collisionels. Il est également montré que les opérateurs de collisions proposés pour le modèle M1 permettent de retrouver des coefficients de transport plasma précis. La deuxième partie de ce document concerne la dérivation de méthodes numériques pour l'étude du transport de particules en temps long. Dans ce cadre, des schémas numériques appropriés pour le modèle M1, préservant l'asymptotique, sont construits et validés numériquement. La troisième partie représente un premier pas significatif vers la modélisation multi-espèces. Ici, le modèle aux moments angulaire M1, construit dans un référentiel mobile, est appliqué à la dynamique des gaz raréfiés. Les propriétés de ce modèle sont détaillées, un schéma numérique est proposé et une validation numérique est menée. / Angular moments models represent alternative descriptions situated in between the kinetic and the fluid models. In this work, angular moments models based on an entropy minimisation principle are considered for plasma physics applications. This manuscript is organised in three parts. The first one is a contribution to plasma physics modelling within the formalism of angular moments models. The validity domain of angular moments models in collisionless regimes is studied. It is also shown that the collisional operators proposed for the M1 angular moments model enable to recover accurate plasma transport coefficients. The second part of this document deals with the derivation of numerical methods for the long timescales particle transport. Appropriate asymptotic-preserving numerical schemes are designed for the M1 angular moments model and numerical validations are performed. The third part represents a first important step toward multi-species modelling. The M1 angular moments model in a moving frame is introduced and applied to rarefied gas dynamics. The model properties are highlighted, a numerical scheme is proposed and a numerical validation is carried out.

La dissipation d'énergie turbulente est un processus clef dans le milieu interstellaire (MIS) froid, non seulement pour comprendre les voies de formation des étoiles, mais aussi en tant que source d'énergie supra-thermique et donc capable d'ouvrir de nouveaux chemins chimiques pour expliquer les abondances d'espèces soumises à des barrières endoénergétiques, telles que $\mathrm{CH}^+$ et $\mathrm{SH}^+$ qui sont observées dans le MIS. Dans ce contexte, l'intermittence spatio-temporelle du taux de dissipation d'énergie joue un rôle crucial car elle conduit à une injection d'énergie supra-thermique qui peut localement être très intense par rapport au taux moyen. Les caractéristiques détaillées de la distribution spatiale et les propriétés géométriques des lieux de dissipation intense peut fournir des indications précieuses pour les modèles chimiques.Nous étudions ici ces structures à l'aide de simulations numériques directes, avec un soin sans précédent pour résoudre les processus dissipatifs numériquement. Le nombre de Mach dans le MIS diffus peut prendre des valeurs aussi bien grandes que petites et nous encadrons les effets de la compression entre deux catégories de turbulence en déclin. Dans le cas extrême incompressible, nous réalisons des simulations pseudo-spectrales de magnétohydrodynamique visqueuse et résistive, avec un éclairage particulier sur la diffusion ambipôlaire due à la vitesse relative qui existe entre les ions et les neutres. Du côté de la compressibilité extrême, nous considérons des simulations isothermes basées sur des schémas sur grille (type Godunov) qui incluent dissipation visqueuse et résistive: nous nous intéressons ici particulièrement à la dissipation numérique.Nos simulations incompressibles montrent que la diffusion ambipôlaire conduit le champ magnétique à petite échelle dans une configuration libre de force de Lorentz. En conséquence, l'échelle caractéristique du chauffage par friction ion-neutre se déplace à plus grande échelle, aux échelles inertielles de la turbulence, bien plus grandes que la taille estimée par le raisonnement dimensionnel classique. Les structures dissipatives dans nos simulations sont des feuilles cohérentes spatiallement, chacune portant une nature dissipative bien distincte (visqueuse, ohmique ou bien ambipôlaire). Nous révélons les lois statistiques qui gouvernent leurs caractéristiques et nous calculons les exposants des fonctions de structure qui quantifient l'intermittence.Nous montrons que les simulations compressibles sont sujettes à une forte dissipation numérique: dans nos expériences, à peu près la moitié de la dissipation totale est attribuée aux termes de dissipation physique, le reste est produit par le schéma numérique. Nous avons mis au point une méthode pour estimer localement l'énergie perdue dans le schéma et nous l'utilisons pour examiner la structure en feuilles du champ de dissipation comme dans les simulations incompressibles. Par exemple, bien que nous confirmons que la dissipation physique visqueuse est dominée par les feuilles de cisaillement plutôt que par les chocs, nous ne pouvons exclure que la dissipation numérique ne renverse cet équilibre si celle-ci était dominée par les chocs.Pour finir, nous examinons l'efficacité de diagnostiques observationnels variés pour tracer les structures de forte dissipation. En particulier, nous trouvons que les incréments de centroïdes de vitesse ou des paramètres de Stokes corrèle très bien sur le plan du ciel avec certaines structures de forte dissipation. Nous calculons aussi les exposants de l'intermittence mesurés pour ces mêmes traceurs et nous trouvons qu'ils s'étendent sur une large plage de valeurs. Enfin, nous mélangeons les phases dans l'espace de Fourier associé à la boîte de simulation périodique, et nous démontrons le rôle crucial de la cohérence de phase pour produire la structure filamentaire observée dans les cartes d'incréments commecelles obtenues récemment par la collaboration Planck / Turbulent energy dissipation is a key process in the cold interstellar medium (ISM), not only on the road to star formation but also as a source of suprathermal energy able to open new chemical routes, otherwise inactive at the low gas temperature. Such routes are required, though, to explain the high abundance of species such as $\mathrm{CH}^+$ and $\mathrm{SH}^+$ observed in the ISM. In this context, the space-time intermittency of energy dissipation is particularly relevant because it drives injection of suprathermal energy in the ISM locally far above the average level. The detailed characteristics of the spatial distribution and the geometrical properties of the energy dissipation rate can provide valuable inputs to chemical models. We study them here with the aid of direct numerical simulations with unprecedented dedication to resolve the dissipation processes numerically. As the sonic Mach number in the diffuse interstellar medium can take values in a wide range, we bracket the possible physics by considering two categories of decaying turbulence models. On the incompressible extreme, we perform pseudo-spectral simulations of viscous and resistive magnetohydrodynamics, with a particular emphasis on ambipolar diffusion due the ion-neutral drift. On the compressible extreme we consider grid-based (Godunov) simulations of isothermal resisitive and viscous magnetohydrodynamics where our focus is on numerical dissipation. Our incompressible simulations show that ambipolar diffusion leads to force-free magnetic fields at small scales. As a result, the typical scale of ion-neutral friction heating is displaced to large scales in the inertial range, much greater than dimensional analysis would predict. The structures of high dissipation are spatially coherent sheets, each with a single nature of dissipation (viscous, ohmic or ambipolar). We reveal their statistical scaling laws and compute their intermittency exponents. We show that compressible simulations are subject to a lot of numerical dissipation: in our set up, less than half of the total dissipation is accounted for by the physical terms, the rest is produced by the numerical scheme. We design a method to recover locally the energy lost in the scheme and we use it to examine the sheet-like structure of the dissipation field as in our incompressible simulations. We show that numerical dissipation prevents us to assess the nature of dissipative structures. For instance, although we confirm previous results that physical dissipation in shearing sheets rapidly dominates over shocks, the balance could be reversed if numerical dissipation were shock dominated. Finally, we examine the efficiency of various observational tracers to characterize the structures of high dissipation. In particular, we find that increments of molecular line centroid velocity or of polarization Stokes parameters correlate very well on the plane of the sky with specific structures of high dissipation. We also compute the intermittency exponents measured for these tracers and find they span a broad range of possible values. At last, we mix the Fourier phases to demonstrate the crucial role of coherence in producing the filamentary structure of observable maps of increments such as recently produced by the Planck collaboration.

L’objectif principal de cette thèse concerne l’étude, la conception et la mise en œuvre numérique de schémas volumes finis associés aux solveurs de type Godunov. On s’intéresse à des systèmes hyperboliques de lois de conservation non linéaires, avec une attention particulière sur les équations d’Euler et les équations MHD idéale. Tout d’abord, nous dérivons un solveur de Riemann simple et véritablement multidimensionnelle, pouvant s’appliquer à tout système de lois de conservation. Ce solveur peut être considéré comme une généralisation 2D de l’approche HLL. Les ingrédients de base de la dérivation sont : la consistance avec la formulation intégrale et une utilisation adéquate des relations de Rankine-Hugoniot. Au final nous obtenons des expressions assez simples et applicables dans les contextes des maillages structurés et non structurés. Dans un second temps, nous nous intéressons à la préservation, au niveau discret, de la contrainte de divergence nulle du champ magnétique pour les équations de la MHD idéale. Deux stratégies sont évaluées et nous montrons comment le solveur de Riemann multidimensionnelle peut être utilisé pour obtenir des simulations robustes à divergence numérique nulle. Deux autres points sont abordés dans cette thèse : la méthode de relaxation pour un système Euler-Poisson pour des écoulements gravitationnels en astrophysique, la formulation volumes finis en coordonnées curvilignes. Tout au long de la thèse, les choix numériques sont validés à travers de nombreux résultats numériques. / The main objective of this thesis concerns the study, design and numerical implementation of finite volume schemes based on the so-Called Godunov-Type solvers for hyperbolic systems of nonlinear conservation laws, with special attention given to the Euler equations and ideal MHD equations. First, we derive a simple and genuinely two-Dimensional Riemann solver for general conservation laws that can be regarded as an actual 2D generalization of the HLL approach, relying heavily on the consistency with the integral formulation and on the proper use of Rankine-Hugoniot relations to yield expressions that are simple enough to be applied in the structured and unstructured contexts. Then, a comparison between two methods aiming to numerically maintain the divergence constraint of the magnetic field for the ideal MHD equations is performed and we show how the 2D Riemann solver can be employed to obtain robust divergence-Free simulations. Next, we derive a relaxation scheme that incorporates gravity source terms derived from a potential into the hydrodynamic equations, an important problem in astrophysics, and finally, we review the design of finite volume approximations in curvilinear coordinates, providing a fresher view on an alternative discretization approach. Throughout this thesis, numerous numerical results are shown.

Les deux principales approches de modélisation des inondations en milieu urbain sont l'approche unidimensionnelle et l'approche bidimensionnelle. La modélisation bidimensionnelle fournit à priori une représentation plus réaliste des phénomènes que la modélisation unidimensionnelle, mais reste difficilement utilisable en pratique sur des secteurs de grande superficie. En effet, la variabilité de la géométrie urbaine implique des coûts de maillage et des temps de calcul prohibitifs, ainsi que des besoins en données considérables. Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude de formulations alternatives à la modélisation bidimensionnelle classique.<br />Dans une première partie, on cherche à représenter un carrefour par une relation de répartition des débits, destinée à être intégrée dans un modèle unidimensionnel. Une relation conceptuelle a été couplée avec un modèle unidimensionnel utilisant l'approximation de l'onde cinématique pour simuler l'inondation du quartier Richelieu à Nîmes. Une relation empirique de répartition a été développée pour des carrefours à quatre branches à partir de simulations numériques bidimensionnelles.<br />La deuxième partie de la thèse porte sur la modélisation bidimensionnelle macroscopique. Cette approche consiste à décrire la zone urbaine à grande échelle par des propriétés statistiques telles que la porosité. Des zones urbaines de grande étendue peuvent ainsi être maillées de façon relativement grossière, ce qui contribue à réduire considérablement les temps de calcul. Un tenseur de pertes de charge singulières a été introduit pour représenter l'influence des singularités urbaines. Sa formulation a été développée à partir de simulations bidimensionnelles sur des réseaux de rues synthétiques. La modélisation macroscopique a été validée sur des cas-tests expérimentaux faisant appel à des modèles réduits et donne des résultats satisfaisants.<br />En parallèle, un solveur de Riemann d'état approché a été développé pour les équations de propagation classiques. Les invariants de Riemann sont exprimés en fonction des flux en tenant compte des termes source, ce qui permet un calcul direct des flux aux interfaces entre cellules. Divers cas-tests numériques montrent une nette amélioration par rapport aux solveurs classiques tel que le solveur HLL/HLLC.

Des schémas numériques précis et robustes sont proposés pour modéliser les écoulements souterrains et leur couplage avec le ruissellement surfacique. Les écoulements souterrains sont d´écrits par l'équation de Richards (instationnaire) qui est discrétisée par une méthode BDF en temps et une méthode de Galerkine discontinue à pénalisation intérieure symétrique en espace. Des cas tests sur des colonnes d'infiltration confirment la robustesse des schémas choisis. Dans un premier temps, nous considérons des conditions de Signorini pour l'équation de Richards afin de modéliser la présence de drains en fond d'aquifère ou l'affleurement de la nappe en négligeant le ruissellement, c'est-à-dire en supposant que l'eau exfiltrée est immédiatement évacuée du système. Dans un second temps, nous prenons en compte le ruissellement par le biais de conditions de couplage qui imposent l'égalité des flux d'eau échangés et la continuité de la pression à l'interface. Les écoulements superficiels sont d´écrits par l'équation de l'onde cinématique qui constitue une approximation des équations de Saint-Venant. L'équation de l'onde cinématique est discrétisée par une méthode de Godunov. Les deux schémas, pour l'écoulement souterrain et pour l'écoulement superficiel, sont conservatifs et peuvent être utilisés dans des algorithmes de couplage faisant intervenir un ou plusieurs pas de temps. Pour assurer la conservation de la masse d'eau totale du système couplé, les flux à l'interface doivent être convenablement choisis. Nous donnons en particulier la construction de ces flux pour les schémas BDF1 et BDF2. La précision et la robustesse de nos schémas sont évaluées sur plusieurs cas tests dont le drainage d'une lame d'eau, deux cas d'exfiltration de nappe (l'un provoqué par la pluie et l'autre par une injection en fond d'aquifère) et un ruissellement hortonien. Enfin, nous présentons une application concrète portant sur le fonctionnement hydrologique d'un petit bassin versant drainé.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution au développement des méthodes à maillage dynamique pour la résolution de système d'EDP en mécanique des fluides. Plus précisément, on met au point des schémas de volumes finis pour des maillages non-structurés, mobiles et à topologie éventuellement variable, basés sur la méthode Godunov. L'addition et la soustraction de noeuds reposent sur une généralisation des méthodes à maillage dynamique à des cas de volumes naissants ou disparaissants. Dans une première partie, on se restreint aux équations hyperboliques en une dimension. On montre que pour l'advection linéaire, le schéma satisfait les propriétés classiques des méthodes de volumes finis (principe du maximum, décroissance de la variation totale, stabilité L²) sous certaines contraintes de type CFL. Afin de s'affranchir de ces restrictions, l'intégration en temps du système discrêt est réalisée par une formulation implicite. La seconde partie de ce travail porte sur l'extension des schémas en deux dimensions d'espace. Le modèle mathématique abordé est décrit par les équations d'Euler. Par ailleurs, on cherche à intégrer le schéma dans un code où le maillage s'adapte automatiquement et simplement. On introduit alors une distribution de forces, soit attractives, soit répulsives, entre les noeuds du maillage. Le mouvement des noeuds résulte de l'obtention de l'état d'équilibre sur le domaine. Le raffinement et le déraffinement reposent sur des critères locaux, comme le gradient. Le dernier travail de cette thèse est consacré à la simultation numérique de phénomènes d'interaction fluide-structure afin de valider les algorithmes proposés. L'application concrête visée ici eset m'écoulement compressible autour d'une aile d'avion en mouvement.