La prévention des risques industriels nécessite de simuler la dispersion turbulente de polluants. Cependant, les outils majoritairement utilisés à ce jour ne permettent pas de traiter les champs proches dans le cas de géométries complexes, et il est nécessaire d'utiliser les outils de CFD (" Computational Fluid Dynamics ") plus adaptés, mais plus coûteux. Afin de simuler les écoulements atmosphériques avec dispersion de polluants, les modèles CFD doivent modéliser correctement d'une part, les effets de flottabilité, et d'autre part les effets de la turbulence. Plusieurs approches existent, notamment dans la prise en compte des effets de flottabilité et la modélisation de la turbulence, et nécessitent des méthodes numériques adaptées aux spécificités mathématiques de chacune d'entre elles, ainsi que des schémas numériques précis pour ne pas polluer la modélisation. Une formulation d'ordre élevé en volumes finis, sur maillages non structurés, parallélisée, est proposée pour simuler les écoulements atmosphériques avec dispersion de polluants. L'utilisation de schémas d'ordre élevé doit permettre d'une part de réduire le nombre de cellules et diminuer les temps de simulation pour atteindre une précision donnée, et d'autre part de mieux contrôler la viscosité numérique des schémas en vue de simulations LES (Large Eddy Simulation), pour lesquelles la viscosité numérique des schémas peut masquer les effets de la modélisation. Deux schémas d'ordre élevé ont été étudiés et implémentés dans un solveur 3D Navier Stokes incompressible sur des maillages volumes finis non structurés. Nous avons développé un premier schéma d'ordre élevé, correspondant à un schéma Padé volumes finis, et nous avons étendu le schéma de reconstruction polynomiale de Carpentier (2000) aux écoulements incompressibles. Les propriétés numériques des différents schémas implémentés dans le même code de calcul sont étudiées sur différents cas tests bi-dimensionnels (calcul de flux convectifs et diffusifs sur une solution a-priori, convection d'une tâche gaussienne, décroissance d'un vortex de Taylor et cavité entraînée) et tri-dimensionnel (écoulement autour d'un obstacle cubique). Une attention particulière a été portée à l'étude de la précision et du traitement des conditions limites. L'implémentation proposée du schéma polynomial permet d'approcher, pour un maillage identique, les temps de simulation obtenus avec un schéma décentré classique d'ordre 2, mais avec une précision supérieure. Le schéma compact donne la meilleure précision. En utilisant une méthode de Jacobi sans calcul implicite de la matrice pour calculer le gradient, le temps de simulation devient intéressant uniquement lorsque la précision requise est importante. Une alternative est la résolution du système linéaire par une méthode multigrille algébrique. Cette méthode diminue considérablement le temps de calcul du gradient et le schéma Padé devient performant même pour des maillages grossiers. Enfin, pour réduire les temps de simulation, la parallélisation des schémas d'ordre élevé est réalisée par une décomposition en sous domaines. L'assemblage des flux s'effectue naturellement et différents solveurs proposés par les librairies PETSC et HYPRE (solveur multigrille algébrique et méthode de Krylov préconditionnée) permettent de résoudre les systèmes linéaires issus de notre problème.

Two aspects of solving the incompressible Navier-Stokes equations are described in the thesis. The preconditioning of the algebraic systems arising from the Finite Element Method discretization of the Navier-Stokes equations is complex due to the saddle point structure of the resulting algebraic problems. The Pressure Convection Diffusion Reaction and the Least Squares Commutator preconditioners constitute two possible choices studied in the thesis. Solving the flow problems in time-dependent domains requires special numerical methods, such as the Fictitious Boundary method and the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation of Navier-Stokes equations which are used in the thesis. The problems examined in the thesis are simulations of experiments conducted in liquid Helium at low temperatures. These simulations can be used to establish a relationship between vorticity and new quantity pseudovorticity in an experiment-like setting.

In this report the regular finite differences method (FDM) and a least-squares radial basis function-generated finite differences method (RBF-FD-LS) is used to solve the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations for the lid driven cavity problem. The Navier-Stokes equations is solved using stream function-vorticity formulation. The purpose of the report is to compare FDM and RBF-FD-LS with respect to accuracy and computational cost. Both methods were implemented in MATLAB and the problem was solved for Reynolds numbers equal to 100, 400 and 1000. In the report we present the solutions obtained as well as the results from the comparison. The results are discussed and conclusions are drawn. We came to the conclusion that RBF-FD-LS is more accurate when the stepsize of the grids used is held constant, while RBF-FD-LS costs more than FDM for similar accuracy.

Dans cette thèse, nous étudions des modèles mathématiques concernant certains problèmes d'écoulement de fluide à densité variable. Le premier chapitre résume l'ensemble de la thèse et se concentre sur les résultats obtenus, la nouveauté et la comparaison avec la littérature existante. Dans le deuxième chapitre, nous étudions la stabilisation locale des équations non homogènes de Navier-Stokes dans un canal 2d autour du flot de Poiseuille. Nous concevons un contrôle feedback de la vitesse qui agit sur l'entrée du domaine de sorte que la vitesse et la densité du fluide soient stabilisées autour du flot de Poiseuille, à condition que la densité initiale soit donnée par une constante additionnée d'une perturbation dont le support se situe loin du bord latéral du canal. Dans le troisième chapitre, nous étudions un système couplant les équations de Navier-Stokes compressibles à une structure élastique située à la frontière du domaine fluide. Nous prouvons l'existence locale de solutions solides pour ce système couplé. Dans le quatrième chapitre, notre objectif est d'étudier la nulle- contrôlabilité d'un problemè d'interaction fluide-structure linéarisé dans un canal bi dimensional. L'écoulement du fluide est ici modélisé par les équations de Navier-Stokes compressibles. En ce qui concerne la structure, nous considérons une poutre de type Euler-Bernoulli amortie située sur une partie du bord. Dans ce chapitre, nous établissons une inégalité d'observabilité pour le problème considéré d'interaction fluid-structure linéarisé qui constitue le premier pas vers la preuve de la nulle contrôlabilité du système. / In this thesis we study mathematical models concerning some fluid flow problems with variable density. The first chapter is a summary of the entire thesis and focuses on the results obtained, novelty and comparison with the existing literature. In the second chapter we study the local stabilization of the non-homogeneous Navier-Stokes equations in a 2d channel around Poiseuille flow. We design a feedback control of the velocity which acts on the inflow boundary of the domain such that both the fluid velocity and density are stabilized around Poiseuille flow provided the initial density is given by a constant added with a perturbation, such that the perturbation is supported away from the lateral boundary of the channel. In the third chapter we prove the local in time existence of strong solutions for a system coupling the compressible Navier-Stokes equations with an elastic structure located at the boundary of the fluid domain. In the fourth chapter our objective is to study the null controllability of a linearized compressible fluid structure interaction problem in a 2d channel where the structure is elastic and located at the fluid boundary. In this chapter we establish an observability inequality for the linearized fluid structure interaction problem under consideration which is the first step towards the direction of proving the null controllability of the system.

Chorin’s method, Incremental Pressure Correction Scheme (IPCS) and Crank-Nicolson’s method (CN) are three numerical methods that were investigated in this study. These methods were here used for solving the incompressible Navier-Stokes equations, which describe the motion of an incompressible fluid, in three different benchmark problems. The methods were stabilized using residual based artificial viscosity, which was introduced to avoid instability. The methods were compared in terms of accuracy and computational time. Furthermore, a theoretical study of adaptivity was made, based on an a posteriori error estimate and an adjoint problem. The implementation of the adaptivity is left for future studies. In this study we consider the following three well-known benchmark problems: laminar 2D flow around a cylinder, Taylor-Green vortex and lid-driven cavity problem. The difference of the computational time for the three methods were in general relatively small and differed depending on which problem that was investigated. Furthermore the accuracy of the methods also differed in the benchmark problems, but in general Crank-Nicolson’s method gave less accurate results. Moreover the stabilization technique worked well when the kinematic viscosity of the fluid was relatively low, since it managed to stabilize the numerical methods. In general the solution was affected in a negative way when the problem could be solved without stabilization for higher viscosities.

Numerical solution of differential equations having multitude of scales in the solution field is one of the most challenging research areas, but highly demanded in scientific and industrial applications. One of the natural approaches for handling such problems is to separate the scales and approximate the solution of the segregated scales with appropriate numerical method. Variational multiscale method (VMS) is a predominant method in the paradigm of scale separation schemes. In our work we have used the VMS technique to develop a numerical scheme for computations of turbulent flows in time-dependent domains. VMS allows separation of the entire range of scales in the flow field into two or three groups, thereby enabling a different numerical treatment for the different groups. In the context of computational fluid dynamics(CFD), VMS is a significant new improvement over the classical large eddy simulation (LES). VMS does away with the commutation errors arising due to filtering in LES. Further, in a three-scale VMS approach the model for the subgrid scale can be contained to only a part of the resolved scales instead of effecting the entire range of resolved scales. The projection based VMS scheme that we have developed gives a robust and efficient method for solving problems of turbulent fluid flows in deforming domains, governed by incompressible Navier {Stokes equations. In addition to the existing challenges due to turbulence, the computational complexity of the problem increases further when the considered domain is time-dependent. In this work, we have used an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) based VMS scheme to account for the domain deformation. In the proposed scheme, the large scales are represented by an additional tensor valued space. The resolved large and small scales are computed in a single unified equation, and the effect of unresolved scales is confined only to the resolved small scales, by using a projection operator. The popular Smagorinsky eddy viscosity model is used to approximate the effects of unresolved scales. The used ALE approach consists of an elastic mesh update technique. Moreover, a computationally efficient scheme is obtained by the choice of orthogonal finite element basis function for the resolved large scales, which allows to reformulate the ALE-VMS system matrix into the standard form of the NSE system matrix. Thus, any existing Navier{Stokes solver can be utilized for this scheme, with modifications. Further, the stability and error estimates of the scheme using a linear model of the NSE are also derived. Finally, the proposed scheme has been validated by a number of numerical examples over a wide range of problems.

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Dans cette thèse, on s'intéresse à deux problèmes provenant de l'étude mathématique des fluides incompressibles visqueux : la propagation de la régularité tangentielle et le mouvement d'une surface libre.La première question concerne plus particulièrement l'étude qualitative de l'évolution de quantités thermodynamiques telles que la température dans l'équation de Boussinesq sans diffusion et la densité dans le système de Navier-Stokes non homogène. Typiquement, on suppose que ces deux quantités sont, à l'instant initial, discontinues le long d'une interface à régularité h"oldérienne. Comme conséquence de résultats de propagation de régularité tangentielle pour le champ de vitesses, on établit que la régularité des interfaces persiste pour tout temps aussi bien en dimension deux d'espace, qu'en dimension supérieure (avec condition de petitesse). Notre approche suit celle du travail de J.-Y. Chemin dans les années 90 pour le problème des poches de tourbillon dans les fluides incompressiblesparfaits.Dans le cas présent, outre cette hypothèse de régularité tangentielle, nous n'avons besoin que d'une régularité critique sur le champ de vitesses.La démonstration repose sur le calcul para-différentiel et les espaces de multiplicateurs.Dans la dernière partie de la thèse, on considère le problème à frontière libre pour le système de Navier-Stokes incompressible à deux phases. Ce système permet de décrire l'évolution d'un mélange de deux fluides non miscibles tels que l'huile et l'eau par exemple. Différents cas de figure sont étudiés : le cas d'un réservoir borné, d'une goutte ou d'une rivière à profondeur finie.On établit l'existence et l'unicité à temps petit pour ce problème. Notre démonstration repose fortement sur des propriétés de régularité maximale parabolique de type $L_p$-$L_q / This thesis is dedicated to two different problems in the mathematical study of the viscous incompressible fluids: the persistence of tangential regularity and the motion of a free surface.The first problem concerns the study of the qualitative properties of some thermodynamical quantities in incompressible fluid models, such as the temperature for Boussinesq system with no diffusion and the density for the non-homogeneous Navier-Stokes system. Typically, we assume those two quantities to be initially piecewise constant along an interface with H"older regularity.As a consequence of stability of certain directional smoothness of the velocity field, we establish that the regularity of the interfaces persist globally with respect to time both in the two dimensional and higher dimensional cases (under some smallness condition). Our strategy is borrowed from the pioneering works by J.-Y.Chemin in 1990s on the vortex patch problem for ideal fluids.Let us emphasize that, apart from the directional regularity, we only impose rough (critical) regularity on the velocity field. The proof requires tools from para-differential calculus and multiplier space theory.In the last part of this thesis, we are concerned with the free boundary value problem for two-phase density-dependent Navier-Stokes system.This model is used to describe the motion of two immiscible liquids, like the oil and the water. Such mixture may occur in different situations, such as in a fixed bounded container, in a moving bounded droplet or in a river with finite depth. We establish the short time well-posedness for this problem. Our result strongly relies on the $L_p$-$L_q$ maximal regularity theoryfor parabolic equations

Les phénomènes de transport en milieux poreux sont étudiés depuis près de deux siècles, cependant les travaux concernant les milieux fortement poreux sont encore relativement peu nombreux. Les modèles couramment utilisés pour les poreux classiques (lits de grains par exemple) sont peu applicables pour les milieux fortement poreux (les mousses par exemple), un certain nombre d’études ont été entreprises pour combler ce manque. Néanmoins, les résultats expérimentaux et numériques caractérisant les pertes de charge dans les mousses sont fortement dispersés. Du fait des progrès de l’imagerie 3D, une tendance émergente est la détermination des paramètres des lois d’écoulement à partir de simulations directes sur des géométries reconstruites. Nous présentons ici l’utilisation d’une nouvelle approche cinétique pour résoudre localement les équations de Navier-Stokes et déterminer les propriétés d’écoulement (perméabilité, dispersion, ...). / A novel kinetic scheme satisfying an entropy condition is developed, tested and implemented for the simulation of practical problems. The construction of this new entropic scheme is presented. A classical hyperbolic system is approximated by a discrete velocity vector kinetic scheme (with the simplified BGK collisional operator), but applied to an inviscid compressible gas dynamics system with a small Mach number parameter, according to the approach of Carfora and Natalini (2008). The numerical viscosity is controlled, and tends to the physical viscosity of the Navier-Stokes system. The proposed numerical scheme is analyzed and formulated as an explicit finite volume flux vector splitting (FVS) scheme that is very easy to implement. It is close in spirit to Lattice Boltzmann schemes, but it has the advantage to satisfy a discrete entropy inequality under a CFL condition and a subcharacteristic stability condition involving a cell Reynolds number. The new scheme is proved to be second-order accurate in space. We show the efficiency of the method in terms of accuracy and robustness on a variety of classical benchmark tests. Some physical problems have been studied in order to show the usefulness of both schemes. The LB code was successfully used to determine the longitudinal dispersion of metallic foams, with the use of a novel indicator. The entropic code was used to determine the permeability tensor of various porous media, from the Fontainebleau sandstone (low porosity) to a redwood tree sample (high porosity). These results are pretty accurate. Finally, the entropic framework is applied to the advection-diffusion equation as a passive scalar.

This thesis details the development, verification and validation of an unsteady unstructured high order (≥ 3) h/p Discontinuous Galerkin - Fourier solver for the incompressible Navier-Stokes equations on static and rotating meshes in two and three dimensions. This general purpose solver is used to provide insight into cross-flow (wind or tidal) turbine physical phenomena. Simulation of this type of turbine for renewable energy generation needs to account for the rotational motion of the blades with respect to the fixed environment. This rotational motion implies azimuthal changes in blade aero/hydro-dynamics that result in complex flow phenomena such as stalled flows, vortex shedding and blade-vortex interactions. Simulation of these flow features necessitates the use of a high order code exhibiting low numerical errors. This thesis presents the development of such a high order solver, which has been conceived and implemented from scratch by the author during his doctoral work. To account for the relative mesh motion, the incompressible Navier-Stokes equations are written in arbitrary Lagrangian-Eulerian form and a non-conformal Discontinuous Galerkin (DG) formulation (i.e. Symmetric Interior Penalty Galerkin) is used for spatial discretisation. The DG method, together with a novel sliding mesh technique, allows direct linking of rotating and static meshes through the numerical fluxes. This technique shows spectral accuracy and no degradation of temporal convergence rates if rotational motion is applied to a region of the mesh. In addition, analytical mappings are introduced to account for curved external boundaries representing circular shapes and NACA foils. To simulate 3D flows, the 2D DG solver is parallelised and extended using Fourier series. This extension allows for laminar and turbulent regimes to be simulated through Direct Numerical Simulation and Large Eddy Simulation (LES) type approaches. Two LES methodologies are proposed. Various 2D and 3D cases are presented for laminar and turbulent regimes. Among others, solutions for: Stokes flows, the Taylor vortex problem, flows around square and circular cylinders, flows around static and rotating NACA foils and flows through rotating cross-flow turbines, are presented.