The class of hyperbolic conservation laws model the phenomena of non-linear wave propagation, including the presence and propagation of discontinuities and expansion waves. Such nonlinear systems can generate discontinuities in the so-lution even for smooth initial conditions. Presence of discontinuities results in break down of a solution in the classical sense and to show existence, weak for-mulation of a problem is required. Moreover, closed form solutions are di cult to obtain and in some cases such solutions are even unavailable. Thus, numerical algorithms play an important role in solving such systems. There are several dis-cretization techniques to solve hyperbolic systems numerically and Finite Volume Method (FVM) is one of such important frameworks. Numerical algorithms based on FVM are broadly classi ed into two categories, central discretization methods and upwind discretization methods. Various upwind and central discretization methods developed so far di er widely in terms of robustness, accuracy and ef-ciency and an ideal scheme with all these characteristics is yet to emerge. In this thesis, novel upwind and central schemes are formulated for various hyper-bolic systems, with the aim of maintaining right balance between accuracy and robustness. This thesis is divided into two parts. First part consists of the formulation of upwind methods to simulate genuine weakly hyperbolic (GWH) systems. Such systems do not possess full set of linearly independent (LI) eigenvectors and some of the examples include pressureless gas dynamics system, modi ed Burgers' sys-tem and further modi ed Burgers' system. The main challenge while formulating an upwind solver for GWH systems, using the concept of Flux Di erence Splitting (FDS), is to recover full set of LI eigenvectors, which is done through addition of generalized eigenvectors using the theory of Jordan Canonical Forms. Once the defective set of LI eigenvectors are completed, a novel (FDS-J) solver is for-mulated in such a manner that it is independent of generalized eigenvectors, as they are not unique. FDS-J solver is capable of capturing various shocks such as -shocks, 0-shocks and 00-shocks accurately. In this thesis, the FDS-J schemes are proposed for those GWH systems each of which have one particular repeated eigenvalue with arithmetic multiplicity (AM) greater than one. Moreover, each ux Jacobian matrix corresponding to such systems is similar to a unique Jordan matrix. After the successful treatment of genuine weakly hyperbolic systems, this strategy is further applied to those weakly hyperbolic subsystems which result on employ-ing various convection-pressure splittings to the Euler ux function. For example, Toro-Vazquez (TV) splitting and Zha-Bilgen (ZB) type splitting approaches to split the Euler ux function yield genuine weakly hyperbolic convective parts and strict hyperbolic pressure parts. Moreover, the ux Jacobian of each convective part is similar to a Jordan matrix with at least two lower order Jordan blocks. Based on the lines of FDS-J scheme, we develop two numerical schemes for Eu-ler equations using TV splitting and ZB type splitting. Both the new ZBS-FDS and TVS-FDS schemes are tested on various 1-D shock tube problems and out of two, contact capturing ZBS-FDS scheme is extended to 2-dimensional Euler system where it is tested successfully on various test cases including many shock instability problems. Second part of the thesis is associated with the development of simple, robust and accurate central solvers for systems of hyperbolic conservation laws. The idea of splitting schemes together with the notion of FDS is not easily extendable to systems such as shallow water equations. Thus, a novel central solver Convection Isolated Discontinuity Recognizing Algorithm (CIDRA) is formulated for shallow water equations. As the name suggests, the convective ux is isolated from the total ux in such a way that other ux, in present case other ux represents celerity part, must possess non-zero eigenvalue contribution. FVM framework is applied to each part separately and ux equivalence principle is used to x the coe cient of numerical di usion. CIDRA for SWE is computed on various 1-D and 2-D benchmark problems and extended to Euler systems e ortlessly. As a further improvement, a scalar di usion based algorithm CIDRA-1 is designed for v Euler systems. The scalar di usion coe cient depends on that particular part of the Rankine-Hugoniot (R-H) condition which involves total energy of the system as a direct contribution. This algorithm is applied to a variety of shock tube test cases including a class of low density ow problems and also to various 2-D test problems successfully. vi

<p>In the first part, the pressureless gas dynamic system with source (body force) is examined and solved by using Shadow Waves. The source represents gravity and Shadow Wave solution (containing the delta function) shows acceleration (contrary to shocks, for example). In the second part, one will nd numerical calculations that conrms the above results.</p> / <p>Rad je posvecen analizi modela gasa bez pritiska uz dodatak izvora. Model je resen koriscenjem senka talasa. U ovom slucaju, izvor predstavlja uticaj gravitacije na cestice u modelu. Za razliku od udarnih talasa, talasi senke koje sadrze delta funkciju, krecu se ubrzano pod gravitacionim uticajem. U drugom delu rada su naprevljeni numericki eksperimenti koji potvrdjuju teoijske rezultate.</p>

On considère des méthodes de Galerkin stochastiques pour des systèmes hyperboliques faisant intervenir des données en entrée incertaines de lois de distribution connues paramétrées par des variables aléatoires. On s'intéresse à des problèmes où un choc apparaît presque sûrement en temps fini. Dans ce cas, la solution peut développer des discontinuités dans les domaines spatial et stochastique. On utilise un schéma de Volumes Finis pour la discrétisation spatiale et une projection de Galerkin basée sur une approximation polynomiale par morceaux pour la discrétisation stochastique. On propose un solveur de type Roe avec correcteur entropique pour le système de Galerkin, utilisant une technique originale pour approcher la valeur absolue de la matrice de Roe et une adaptation du correcteur entropique de Dubois et Mehlmann. La méthode proposée reste coûteuse car une discrétisation stochastique très fine est nécessaire pour représenter la solution au voisinage des discontinuités. Il est donc nécessaire de faire appel à des stratégies adaptatives. Comme les discontinuités sont localisées en espace et évoluent en temps, on propose des représentations stochastiques dépendant de l'espace et du temps. On formule cette méthodologie dans un contexte multi-résolution basé sur le concept d'arbres binaires pour décrire la discrétisation stochastique. Les étapes d'enrichissement et d'élagage adaptatifs sont réalisées en utilisant des critères d'analyse multi-résolution. Dans le cas multidimensionnel, une anisotropie de la procédure adaptative est proposée. La méthodologie est évaluée sur le système des équations d'Euler dans un tube à choc et sur l'équation de Burgers en une et deux dimensions stochastiques / This work is concerned with stochastic Galerkin methods for hyperbolic systems involving uncertain data with known distribution functions parametrized by random variables. We are interested in problems where a shock appears almost surely in finite time. In this case, the solution exhibits discontinuities in the spatial and in the stochastic domains. A Finite Volume scheme is used for the spatial discretization and a Galerkin projection based on piecewise poynomial approximation is used for the stochastic discretization. A Roe-type solver with an entropy correction is proposed for the Galerkin system, using an original technique to approximate the absolute value of the Roe matrix and an adaptation of the Dubois and Mehlman entropy corrector. Although this method deals with complex situations, it remains costly because a very fine stochastic discretization is needed to represent the solution in the vicinity of discontinuities. This fact calls for adaptive strategies. As discontinuities are localized in space and time, stochastic representations depending on space and time are proposed. This methodology is formulated in a multiresolution context based on the concept of binary trees for the stochastic discretization. The adaptive enrichment and coarsening steps are based on multiresolution analysis criteria. In the multidimensional case, an anisotropy of the adaptive procedure is proposed. The method is tested on the Euler equations in a shock tube and on the Burgers equation in one and two stochastic dimensions

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der mathematischen Modellierung semi-klassischer Licht-Materie-Interaktion. Im semiklassischen Bild wird Materie durch eine Dichtematrix "rho" beschrieben. Das Konzept der Dichtematrizen ist quantenmechanischer Natur. Auf der anderen Seite wird Licht durch ein klassisches elektromagnetisches Feld "(E,H)" beschrieben. Wir stellen einen mathematischen Rahmen vor, in dem wir systematisch dissipative Effekte in die Liouville-von-Neumann-Gleichung inkludieren. Bei unserem Ansatz sticht ins Auge, dass Lösungen der resultierenden Gleichung eine intrinsische Liapunov-Funktion besitzen. Anschließend koppeln wir die resultierende Gleichung mit den Maxwell-Gleichungen und erhalten ein neues selbstkonsistentes, dissipatives Modell vom Maxwell-Bloch-Typ. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der intensiven mathematischen Studie des dissipativen Modells vom Maxwell-Bloch-Typ. Da das Modell Lipschitz-Stetigkeit vermissen lassen, kreieren wir eine regularisierte Version des Modells, das Lipschitz-stetig ist. Wir beschränken unsere Analyse im Wesentlichen auf die Lipschitz-stetige Regularisierung. Für regularisierte Versionen des dissipativen Modells zeigen wir die Existenz von Lösungen des zugehörigen Anfangswertproblems. Der Kern des Existenzbeweises besteht aus einem Resultat von ``compensated compactness'''', das von P. Gérard bewiesen wurde, sowie aus einem Lemma vom Rellich-Typ. In Teilen folgt dieser Beweis dem Vorgehen einer älteren Arbeit von J.-L. Joly, G. Métivier und J. Rauch. / This thesis deals with the mathematical modeling of semi-classical matter-light interaction. In the semi-classical picture, matter is described by a density matrix "rho", a quantum mechanical concept. Light on the other hand, is described by a classical electromagnetic field "(E,H)". We give a short overview of the physical background, introduce the usual coupling mechanism and derive the classical Maxwell-Bloch equations which have intensively been studied in the literature. Moreover, We introduce a mathematical framework in which we state a systematic approach to include dissipative effects in the Liouville-von-Neumann equation. The striking advantage of our approach is the intrinsic existence of a Liapunov function for solutions to the resulting evolution equation. Next, we couple the resulting equation to the Maxwell equations and arrive at a new self-consistent dissipative Maxwell-Bloch type model for semi-classical matter-light interaction. The main focus of this work lies on the intensive mathematical study of the dissipative Maxwell-Bloch type model. Since our model lacks Lipschitz continuity, we create a regularized version of the model that is Lipschitz continuous. We mostly restrict our analysis to the Lipschitz continuous regularization. For regularized versions of the dissipative Maxwell-Bloch type model, we prove existence of solutions to the corresponding Cauchy problem. The core of the proof is based on results from compensated compactness due to P. Gérard and a Rellich type lemma. In parts, this proof closely follows the lines of an earlier work due to J.-L. Joly, G. Métivier and J. Rauch.

Les traitements en radiothérapie consistent à irradier le patient avec desfaisceaux de particules énergétiques (typiquement des photons) ciblant la tumeur. Cesparticules sont transporté à travers le milieu et y dépose de l'énergie. Cette énergiedéposée, appelée la dose, est responsable des effets biologiques des radiations.Ce travail a pour but de développer des méthodes numériques de calcul etd'optimisation de la dose qui sont compétitives en termes de coût de calcul et de précisionpar rapport à des méthodes de référence.Le mouvement des particules est d'abord étudié via un système d'équationscinétiques linéaires. Cependant, résoudre directement ces systèmes est numériquementtrop coûteux pour des applications médicales. Pour palier ce coût de calcul, la méthodemoment, et en particulier les modèles Mn, est utilisée. Ces équations aux moments sontnon linéaires et valides sous une condition appelée réalisabilité.Les schémas numériques standards pour les équations aux moments sontcontraints par des conditions de stabilité qui se trouvent être très restrictives lorsque lemilieu contient des zones sous-denses. Des schémas numériques inconditionnellementstables et adaptés aux équations aux moments (préservant la réalisation) sontdéveloppés. Ces schémas se révèlent compétitifs en termes de coûts de calcul par rapportaux approches de référence. Finalement, ces méthodes sont appliquées dans uneprocédure d'optimisation visant à maximiser la dose dans la tumeur et la minimiser dansles tissus sains. / Radiotherapy treatments consists in irradiating the patient with beams ofenergetic particles (typically photons) targeting the tumor. Such particles are transportedthrough the medium and deposit energy in the medium. This deposited energy is the socalleddose, responsible for the biological effect of the radiations.The present work aim to develop numerical methods for dose computation andoptimization that are competitive in terms of computational cost and accuracy compared toreference method.The motion of particles is first studied through a system of linear transport equationsat the kinetic level. However, solving directly such systems is numerically too costly formedical application. Instead, the moment method is used with a special focus on the Mnmodels. Those moment equations are non-linear and valid under a condition calledrealizability.Standard numerical schemes for moment equations are constrained by stabilityconditions which happen to be very restrictive when the medium contains low densityregions. Inconditionally stable numerical schemes adapted to moment equations(preserving the realizability property) are developped. Those schemes are shown to becompetitive in terms of computational costs compared to reference approaches. Finallythey are applied to in an optimization procedure aiming to maximize the dose in the tumorand to minimize the dose in healthy tissues.

This thesis consists of five articles mainly devoted to problems in dynamical systems and ergodic theory. We consider non-uniformly hyperbolic two dimensional systems and limit distributions of point measures which are absolutely continuous with respect to the Lebesgue measure. Let $f_{a_0}(x)=a_0-x^2$ be a quadratic map where the parameter $a_0\in(1,2)$ is chosen such that the critical point $0$ is pre-periodic (but not periodic). In Papers A and B we study skew-products $(\th,x)\mapsto F(\th,x)=(g(\th),f_{a_0}(x)+\al s(\th))$, $(\th,x)\in S^1\times\real$. The functions $g:S^1\to S^1$ and $s:S^1\to[-1,1]$ are the base dynamics and the coupling functions, respectively, and $\al$ is a small, positive constant. Such quadratic skew-products are also called Viana maps. In Papers A and B we show for several choices of the base dynamics and the coupling function that the map $F$ has two positive Lyapunov exponents and for some cases we further show that $F$ admits also an absolutely continuous invariant probability measure. In Paper C we consider certain Bernoulli convolutions. By showing that a specific transversality property is satisfied, we deduce absolute continuity of the to these Bernoulli convolutions associated distributions. In Papers D and E we consider sequences of real numbers in the unit interval and study how they are distributed. The sequences in Paper D are given by the forward iterations of a point $x\in[0,1]$ under a piecewise expanding map $T_a:[0,1]\to[0,1]$ depending on a parameter $a$ contained in an interval $I$. Under the assumption that each $T_a$ admits a unique absolutely continuous invariant probability measure $\mu_a$ and that some technical conditions are satisfied, we show that the distribution of the forward orbit $T_a^j(x)$, $j\ge1$, is described by the distribution $\mu_a$ for Lebesgue almost every parameter $a\in I$. In Paper E we apply the ideas in Paper D to certain sequences which are equidistributed in the unit interval and give a geometrical proof of an old result by Koksma.

Depuis Ruelle, puis Rugh, Baladi, Tsujii, Liverani et d'autres, on sait que la fuite vers l'équilibre statistique dans de nombreux systèmes dynamiques chaotiques est gouvernée par le spectre de résonances de Ruelle de l'opérateur de transfert. A la suite de récents travaux de Faure, Sjöstrand et Roy, cette thèse propose une approche semiclassique de systèmes dynamiques chaotiques de type partiellement expansifs. Une partie du mémoire est consacrée aux extensions d'applications expansives vers des groupes de Lie compacts, en se reistreignant essentiellement aux extensions vers le groupe spécial unitaire SU(2). On se sert de la théorie des états cohérents pour les groupes de Lie, développée dans les années 70 par Perelomov et Gilmore, pour mettre en oeuvre les outils semiclassiques et la théorie des résonances de Helfer et Sjöstrand. On en déduira une estimation de Weyl et un gap spectral pour les résonances de Ruelle prouvant que la fuite vers l'équilibre statistique dans ces modèles est gouvernée par un opérateur de rang fini (en accord avec les résultats obtenus par Tsujii pour les semi-flots partiellement expansifs). On étend ensuite cette approche aux modèles "ouverts" pour lesquels la dynamique présente un ensemble captif de Cantor. On montrera l'existence d'un spectre discret de résonances de Ruelle et on prouve une loi de Weyl fractale, analogue classique du théorème de Lin-Guillopé-Zworski pour les résonances du laplacien hyperbolique sur les surfaces à courbure négative constante. On montre aussi un gap spectral asymptotique. On expliquera pourquoi ces modèles semblent être des objets d'étude adaptés pour approcher des questions importantes et difficiles du chaos classique ou quantique. On pense en particulier au problème de la minoration du nombre de résonances, étudié dans le contexte des applications quantiques par Nonnenmacher et Zworski. / Since the work of Ruelle, then Rugh, Baladi, Tsujii, Liverani and others, it is kown that the convergence towards statistical equilibrium in many chaotic dynamical systems is gouverned by the Ruelle spectrum of resonances of the so-called transfer operator. Following recent works from Faure, Sjöstrand and Roy, this thesis gives a semiclassical approach for partially expanding chaotic dynamical systems. The first part of the thesis is devoted to compact Lie groups extenstions of expanding maps, essentially restricting to SU(2) extensions. Using Perlomov's coherent state theory for Lie groups, we apply the semiclassical theory of resonances of Helfer and Sjöstrand. We deduce Weyl type estimations and a spectral gap for the Ruelle resonances, showing that the convergence towards equilibrium is controled by a finite rank operator (as Tsujii already showed for partially expanding semi-flows). We then extend this approach to "open" models, for which the dynamics exhibits a fractal invariant reppeler. We show the existence of a discrete spectrum of resonances and we prove a fractal Weyl law, the classical analogue of Lin-Guillopé-Zworski's theorem on resonances of non-compact hyperbolic surfaces. We also show an asymptotic spectral gap. Finally we breifly explain why these models are interseting "toy models" to explore important questions of classical and quantum chaos. In particular, we have in mind the problem of proving lower bounds on the number of resonances, studied in the context of open quantum maps by Nonnenmacher and Zworski.

Les dynamiques des systèmes modélisés par des équations aux dérivées partielles (EDPs) en dimension infinie sont largement liées aux réseaux physiques. La synthèse de la commande et l'analyse de la stabilité de ces systèmes sont étudiées dans cette thèse. Les systèmes singulièrement perturbés, contenant des échelles de temps multiples sont naturels dans les systèmes physiques avec des petits paramètres parasitaires, généralement de petites constantes de temps, les masses, les inductances, les moments d'inertie. La théorie des perturbations singulières a été introduite pour le contrôle à la fin des années $1960$, son assimilation dans la théorie du contrôle s'est rapidement développée et est devenue un outil majeur pour l'analyse et la synthèse de la commande des systèmes. Les perturbations singulières sont une façon de négliger la transition rapide, en la considérant dans une échelle de temps rapide séparée. Ce travail de thèse se concentre sur les systèmes hyperboliques linéaires avec des échelles de temps multiples modélisées par un petit paramètre de perturbation. Tout d'abord, nous étudions une classe de systèmes hyperboliques linéaires singulièrement perturbés. Comme le système contient deux échelles de temps, en mettant le paramètre de la perturbation à zéro, deux sous-systèmes, le système réduit et la couche limite, sont formellement calculés. La stabilité du système complet de lois de conservation implique la stabilité des deux sous-systèmes. En revanche un contre-exemple est utilisé pour illustrer que la stabilité des deux sous-systèmes ne suffit pas à garantir la stabilité du système complet. Cela montre une grande différence avec ce qui est bien connu pour les systèmes linéaires en dimension finie modélisés par des équations aux dérivées ordinaires (EDO). De plus, sous certaines conditions, l'approximation de Tikhonov est obtenue pour tels systèmes par la méthode de Lyapunov. Plus précisément, la solution de la dynamique lente du système complet est approchée par la solution du système réduit lorsque le paramètre de la perturbation est suffisamment petit. Deuxièmement, le théorème de Tikhonov est établi pour les systèmes hyperboliques linéaires singulièrement perturbés de lois d'équilibre où les vitesses de transport et les termes sources sont à la fois dépendant du paramètre de la perturbation ainsi que les conditions aux bords. Sous des hypothèses sur la continuité de ces termes et sous la condition de la stabilité, l'estimation de l'erreur entre la dynamique lente du système complet et le système réduit est obtenue en fonction de l'ordre du paramètre de la perturbation. Troisièmement, nous considérons des systèmes EDO-EDP couplés singulièrement perturbés. La stabilité des deux sous-systèmes implique la stabilité du système complet où le paramètre de la perturbation est introduit dans la dynamique de l'EDP. D'autre part, cela n'est pas valable pour le système où le paramètre de la perturbation est présent dans l'EDO. Le théorème Tikhonov pour ces systèmes EDO-EDP couplés est prouvé par la technique de Lyapunov. Enfin, la synthèse de la commande aux bords est abordée en exploitant la méthode des perturbations singulières. Le système réduit converge en temps fini. La synthèse du contrôle aux bords est mise en œuvre pour deux applications différentes afin d'illustrer les résultats principaux de ce travail. / Systems modeled by partial differential equations (PDEs) with infinite dimensional dynamics are relevant for a wide range of physical networks. The control and stability analysis of such systems become a challenge area. Singularly perturbed systems, containing multiple time scales, often occur naturally in physical systems due to the presence of small parasitic parameters, typically small time constants, masses, inductances, moments of inertia. Singular perturbation was introduced in control engineering in late $1960$s, its assimilation in control theory has rapidly developed and has become a tool for analysis and design of control systems. Singular perturbation is a way of neglecting the fast transition and considering them in a separate fast time scale. The present thesis is concerned with a class of linear hyperbolic systems with multiple time scales modeled by a small perturbation parameter. Firstly we study a class of singularly perturbed linear hyperbolic systems of conservation laws. Since the system contains two time scales, by setting the perturbation parameter to zero, the two subsystems, namely the reduced subsystem and the boundary-layer subsystem, are formally computed. The stability of the full system implies the stability of both subsystems. However a counterexample is used to illustrate that the stability of the two subsystems is not enough to guarantee the full system's stability. This shows a major difference with what is well known for linear finite dimensional systems. Moreover, under certain conditions, the Tikhonov approximation for such system is achieved by Lyapunov method. Precisely, the solution of the slow dynamics of the full system is approximated by the solution of the reduced subsystem for sufficiently small perturbation parameter. Secondly the Tikhonov theorem is established for singularly perturbed linear hyperbolic systems of balance laws where the transport velocities and source terms are both dependent on the perturbation parameter as well as the boundary conditions. Under the assumptions on the continuity for such terms and under the stability condition, the estimate of the error between the slow dynamics of the full system and the reduced subsystem is the order of the perturbation parameter. Thirdly, we consider singularly perturbed coupled ordinary differential equation ODE-PDE systems. The stability of both subsystems implies that of the full system where the perturbation parameter is introduced into the dynamics of the PDE system. On the other hand, this is not true for system where the perturbation parameter is presented to the ODE. The Tikhonov theorem for such coupled ODE-PDE systems is proved by Lyapunov technique. Finally, the boundary control synthesis is achieved based on singular perturbation method. The reduced subsystem is convergent in finite time. Boundary control design to different applications are used to illustrate the main results of this work.

Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation des écoulements diphasiques transitoires eau-vapeur. Dans de nombreuses installations industrielles, des écoulements monophasiques d'eau liquide sont susceptibles de devenir diphasiques lors de certaines situations transitoires. La modélisation de ces écoulements peut s'avérer délicate car deux phénomènes physiques interagissant fortement entre eux, le changement de phase et la propagation d'ondes de pression, sont alors à prendre en compte. Une approche bifluide statistique, ne supposant aucun équilibre entre les phases, est utilisée afin de modéliser de tels écoulements. Les modèles obtenus sont de type convection-source et s'apparentent au modèle de Baer-Nunziato. Différentes lois de fermeture pour ces modèles sont comparées sur des cas expérimentaux de transitoires eau-vapeur tels que les coups de bélier et la dépressurisation d'une tuyauterie d'eau liquide suite à une rupture.La simulation numérique des différents modèles est effectuée grâce à une méthode à pas fractionnaires. Un nouveau schéma de convection, robuste et efficace, capable de gérer toute equation d'état est utilisé dans la première étape de cette méthode. La seconde étape est dédiée au traitement des termes sources et requiert différents schémas implicites. Une grande attention est accordée à la vérification de tous les schémas numériques utilisés grâce à des études de convergence. Une nouvelle modélisation du transfert de masse est également proposée, sur la base de travaux dédiés à la brusque dépressurisation d'eau liquide en approche homogène. La validation du modèle est effectuée grâce de nombreuses comparaisons calcul-expérience. / This thesis deals with the modelling and the computation of steam-water two-phase flows. Liquid water flows are involved in many industrial facilities and a second phase may appear in some transients situations. Thus, pressure wave propagation and mass transfer are physical phenomena that need to be properly included in the modelling of such two-phase flows. A statistical two-fluid approach is used, leading to models similar to the Baer-Nunziato one. They include both convective and source terms without any assumption on the equilibrium between phases. Different closure laws for such models are compared on steam-water transient experiments including water-hammers and fast depressurization of liquid water. The computation of the different models is based on a fractional step method. A new convective scheme, able to deal with any Equation Of State, is used in the first step of the method. When compared with other schemes, it appears to be accurate, efficient and very robust. The second step of the method is dedicated to the treatment of source terms and requires several implicit schemes. Particular attention is paid to the verification of every scheme involved in the method. Convergence studies are carried out on test-cases with analytical solutions to that purpose. Based on existing work on fast depressurization of liquid water in an homogeneous approach, a new formulation of the mass transfer is proposed. Many comparisons between computational and experimental results are detailled in order to validate the models.

Lorsque la densité de véhicules devient trop élevée, le trafic autoroutier est instable, et génère naturellement des accordéons, c'est-à-dire une alternance entre des zones fluides et des zones congestionnées. Ce phénomène n'est pas reproduit par les modèles de trafic standards d'ordre 1, mais peut l'être par des modèles d'ordre supérieurs, aussi bien microscopiques (modèles de loi de poursuite) que macroscopiques (systèmes de lois de conservation).Cette thèse analyse comment différents modèles représentent des états de trafic instables, et les oscillations qui en résultent. Au niveau microscopique, à cause de la concavité du flux, le débit moyen de ces oscillations est inférieur au débit d'équilibre pour une densité équivalente. Un algorithme est proposé pour stabiliser le flux par multi-anticipation, en utilisant un véhicule autonome intelligent.Au niveau macroscopique, cette thèse introduit les modèles moyennés, en partant du principe que l'échelle spatio-temporelle des oscillations est trop petite pour être correctement prédite par une simulation. Le modèle LWR moyenné, composé de deux lois de conservations, permet de représenter au niveau macroscopique la variance de la densité d'un trafic hétérogène, et calcule correctement le débit moyen de ces états. Une comparaison avec le modèle ARZ, également d'ordre 2, montre que le modèle moyenné permet de simuler une chute de capacité de façon plus réaliste.Enfin, cette thèse présente le projet SimulaClaire, de prédiction en temps réel du trafic sur le périphérique toulousain, et en particulier l'algorithme parallélisé d'optimisation en temps réel des paramètres développé pour ce projet / Highway traffic is known to be unstable when the vehicle density becomes too high, and to create stop-and-go waves, with an alternance of free flow and congested traffic. First-order traffic models can't reproduce these oscillations, but higher-order models can, both microscopic (car-following models) and macroscopic (systems of conservation laws).This thesis analyses the representation of unstable traffic states and oscillations in various traffic models. At the microscopic level, because of the flux concavity, the average flow of these oscillations is lower than the equilibrium flow for the same density. An algorithm is given to stabilize the flow with multi-anticipation, using an intelligent autonomous vehicle.At the macroscopic level, this work introduces averaged models, using the fact that the spatio-temporal scale of the oscillations is too small to be correctly predicted by simulations. The averaged LWR model, which consists of two conservation laws, enables a macroscopic representation of the density variance in a heterogeneous traffic, and gives the correct average flow of these states. A comparison with the ARZ model, also of order 2, shows that the averaged model can reproduce a capacity drop in a more realistic way.Finally, this thesis presents the SimulaClaire project of real-time traffic prediction on the ring road of Toulouse, and its parallelized parameter optimization algorithm