Ce travail est consacré à l’étude d’un problème issu de la physique des plasmas : le transfert thermique des électrons dans un plasma proche de l’équilibre Maxwellien. Dans un premier temps, le régime asymptotique de Spitzer-Härm est étudié. Un modèle proposé par Schurtz et Nicolaï est situé dans le contexte des limites hydrodynamiques hors du cadre strictement asymptotique et analysé. Le lien avec les modèles non-locaux de Luciani et Mora est établi, ainsi que des propriétés mathématiques comme le principe du maximum et la dissipation d’entropie. Ensuite, une dérivation formelle à partir des équations de Vlasov est proposée. Une hiérarchie de modèles intermédiaires entre les équations cinétiques et la limite hydrodynamique est décrite. Notamment, un nouveau système hydrodynamique, de nature intégro-différentielle, est proposé. Le système de Schurtz et Nicolaï apparaît comme une simplification du système issu de la dérivation. L’existence et l’unicité de la solution du système non stationnaire sont établies dans un cadre simplifié. La dernière partie est consacrée à la mise en oeuvre d’un schéma numérique spécifique pour résoudre ces modèles. On propose une approche par volumes finis pouvant être efficace sur des maillages non-structurés. La précision de ce schéma permet de capturer des effets spécifiques de nature cinétique, qui ne peuvent être reproduits par le modèle asymptotique de Spitzer–Härm. La consistance de ce schéma avec celui de l’équation de Spitzer–Härm est mise en évidence, ouvrant la voie a des stratégies de couplage entre les deux modélisations. / This work is devoted to the study of a problem resulting from plasma physics: heat transfer of electrons in a plasma close to Maxwellian equilibrium. Firstly, the asymptotic regime of Spitzer-Harm is studied. A model proposed by Schurtz and Nicolai is analyzed and located in the context of hydrodynamic limits outside of the strictly asymptotic. The link to non-local models of Luciani and Mora is established, as well as the mathematical properties such as the principle of maximum and entropy dissipation. Then, a formal derivation from the Vlasov equations is proposed. A hierarchy of intermediate models between the kinetic equations and the hydrodynamic limit is described. In particular, a new system hydrodynamics, integro-differential by nature, is proposed. The system Schurtz and Nicolai appears as a simplification of the system resulting from the diversion. The existence and uniqueness of the solution of the nonstationary system are established in a simplified framework.The last part is devoted to the implementation of a specific numerical scheme for solving these models. We propose a finite volume approach can be effective on unstructured grids. The accuracy of this scheme to capture specific effects such as kinetic, which may not be reproduced by the asymptotic Spitzer-Harm model. The consistency of this pattern with that of the Spitzer-Harm equation is highlighted, paving the way for a strategy of coupling between the two models.

De nombreux domaines utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose à la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes à une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement non-structurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable à n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés / This thesis proposes new tools for visualization and computation on strongly unstructured grids. Visualization of such grids that have variable geometry and topology, poses the problem of how to store data and how algorithms could handle such variability. Doing computations on such grids poses the problem of solving large sparse unstructured linear systems. The ever-growing parallel power of GPUs makes them more and more valuable for handling theses tasks. However, using GPUs calls for defining new algorithms highly adapted to their specific programming model. Most recent algorithms for Geometry Processing or Computational Fluid Dynamics (CFD) are using new types of grids made of arbitrary polyhedra, in other words strongly unstructured grids. In case of CFD simulations, these grids can be mapped with scalar or vector fields representing physical properties (for example : density, porosity, permeability). Our contributions are: (1) An efficient generic visualization method that uses GPU's power to accelerate isosurface extraction for large unstructured grids. (2) An adaptative cell classification method that accelerates isosurface extraction by pre-selecting only intersected cells. (3) An efficient algorithm for temporal interpolation of isosurfaces. This algrithm helps to visualize in a continuous maner the evolution of isosurfaces through time. (4) A massively parallel algorithm for solving large sparse unstructured linear systems on the GPU. Its originality comes from its adaptation to sparse matrices with random pattern, which enables to solve any sparse linear system, thus the ones that come from strongly unstructured grids

Les algorithmes les plus récents de traitement numérique de la géométrie ou bien encore de simulation numérique de type CFD (Computational Fluid Dynamics) utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. Dans le cas de simulations de type CFD, ces grilles peuvent servir de support à des champs scalaires ou vectoriels qui représentent des grandeurs physiques (par exemple : densité, porosité, perméabilité). La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose `a la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes `a une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante ces dernières années de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement nonstructurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable `a n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés.

Un schéma compact de haute précision basé sur le résidu (RBC) a été développé au laboratoire SINUMEF pour la simulation numérique d'écoulements compressibles en maillages structurés. Certaines proriétés intéressantes font de ce schéma un bon choix pour les calculs d'écoulements compressibles. L'objectif de cette thèse est donc de développer un schéma basé sur le résidu (RB) en maillages non-structurés avec une précision d'ordre élevé. A cette fin, deux approches ont été explorées. La première est basé sur la méthode des volumes finies en non-structuré et conduit à un schéma basé sur le résidu appelé FV-RB. Le seconde approche s'appuie sur une nouvelle formulation spatiale dite volumes spectraux (SV) et mène au schéma SV-RB. Le schéma FV-RB a été développé à l'ordre 2 et 3. Avec cette version du schéma, de nombreux cas tests sont calculés: écoulement d'un fluide parfait et visqueux, subsonique, transonique et hypersonique, stationnaire et instationnaire, en 2D et en 3D. Une analyse de la précision et du coût de calcul est effectuée pour le schéma FV-RB. Dans la seconde approche, un schéma SV-RB est développé à l'ordre 2 et 3 pour résoudre le problème d'advection pure et les équations d'Euler. A travers quelques cas tests, une comparaison de la précision et l'efficacité est effectuée entre le schéma RB et un solveur de Riemman classique, et entre deux formulations du schéma RB développés ici.

L'imagerie électrique est un outil de plus en plus important pour un large domaine d'applications relatives à la caractérisation de la subsurface proche. D'importants développements ont été réalisés au cours des vingt dernières années pour l'amélioration des systèmes d'acquisitions et des algorithmes d'inversions. L'acquisition et le traitement de gros jeux de données reste toutefois une tâche délicate, en particulier en présence de topographie. Afin d'améliorer la gestion de la topographie, nous avons développé un nouvel algorithme d'inversion électrique 2.5D et 3D. Nous avons proposé deux nouvelles formulations pour supprimer la singularité à la source. Le problème direct est résolu en utilisant la méthode des Différences Finies Généralisées et des maillages non structurés, permettant une représentation précise de la topographie. Le code d'inversion utilise la méthode de l'état adjoint pour calculer le gradient de la fonction objective de manière économique. Cette approche a donné de bons résultats avec des données synthétiques. Les premiers résultats sur des données réelles ont permis de retrouver les principales structures de la subsurface, ainsi que plusieurs zones de faibles résistivités pouvant correspondre à des zones fracturées.

L'imagerie électrique est un outil de plus en plus important pour un large domaine d'applications relatives à la caractérisation de la subsurface proche. D'importants développements ont été réalisés au cours des vingt dernières années pour l'amélioration des systèmes d'acquisitions et des algorithmes d'inversions. L'acquisition et le traitement de gros jeux de données reste toutefois une tâche délicate, en particulier en présence de topographie. Afin d'améliorer la gestion de la topographie, nous avons développé un nouvel algorithme d'inversion électrique 2.5D et 3D. Nous avons proposé deux nouvelles formulations pour supprimer la singularité à la source. Le problème direct est résolu en utilisant la méthode des Différences Finies Généralisées et des maillages non structurés, permettant une représentation précise de la topographie. Le code d'inversion utilise la méthode de l'état adjoint pour calculer le gradient de la fonction objective de manière économique. Cette approche a donné de bons résultats avec des données synthétiques. Les premiers résultats sur des données réelles ont permis de retrouver les principales structures de la subsurface, ainsi que plusieurs zones de faibles résistivités pouvant correspondre à des zones fracturées. / DC resistivity imaging plays an important role for a wide range of applications related to the characterization of the shallow subsurface. Major developments have been made over the last two decades to improve acquisition systems as well as resistivity inversion. Nevertheless, large-scale data sets still represent a challenging task, in particular with arbitrary topography. In order to better take into account topography, we have developed a new 2.5D/3D tomographic inversion code. Two new formulations for the singularity removal have been proposed. The direct problem is solved in the framework of the Generalized Finite Differences Method, that allows the use of unstructured meshes yielding a fine represention of topography. The inversion code uses the adjoint state method to compute the gradient of the misfit function in a numerically efficient way, giving goodresults on synthetic data. First results on real data have shown the main subsurface structures, as well as several low resistivity zones possibly corresponding to fractured areas.

On simule l'écoulement de gaz avec arc électrique au moment d'une interruption du courant dans un disjoncteur haute ou moyenne tension. Les équations de Navier Stokes compressible sont résolues pour un gaz réel non visqueux. L'arc électrique est du gaz chaud et conducteur. Le rayonnement est pris en compte. L'équation d'état et les propriétés du gaz sont tabulées. On présente une analyse du problème physique et des équations a résoudre. Deux modélisations numériques monodimensionnelles, par une methode d'éléments finis (avec upwind et capture de choc) et par une methode a pas fractionnaires séparant le traitement des phénomènes de diffusion et de convection, ont été implémentées. Elles ont permis d'affiner le modèle et de mettre en évidence l'importance du rayonnement. La dernière partie est relative au développement d'un code de calcul industriel 2 d plan ou axisymetrique. Seule la methode a pas fractionnaires a été implémentée. Le code permet de résoudre le problème sur des maillages non structures et mobiles. Des tests numériques valident les schémas mis en œuvre

The first ocean general circulation models developed in the late sixties were based on finite differences schemes on structured grids. Many improvements in the fields of engineering have been achieved since three decades with the developments of new numerical methods based on unstructured meshes. Some components of the first models may now seem out of date and new second generation models are therefore under study, with the aim of taking advantage of the potential of modern numerical techniques such as finite elements. In particular, unstructured meshes are believed to be more efficient to resolve the large range of time and space scales present in the ocean. Besides the classical continuous finite element or finite volume methods, another popular new trend in engineering applications is the Discontinuous Galerkin (DG) method, i.e. discontinuous finite elements presenting many interesting numerical properties in terms of dispersion and dissipation, errors convergence rates, advection schemes, mesh adaptation, etc. The method is especially efficient at high polynomial orders. The motivation for this PhD research is therefore to investigate the use of the high-order DG method for geophysical flow modeling. A first part of the thesis is devoted to the mesh adaptation using the DG method. The inter-element jumps of the fields are used as error estimators. New mesh size fields or polynomial orders are then derived and local h- or p-adaptation is performed. The technique is applied to standard benchmarks and computations in more realistic domains as the Gulf of Mexico. A second part deals with the use of the high order DG method with high-order representation of geometrical features. On one hand, a method is proposed to deal with complex representations of the coastlines. Computations are performed using high-order mappings around the Rattray island, located in the Great Barier Reef. Numerical results are then compared to in-situ measurements. On the other hand, a new method is proposed to deal with curved manifolds in order to represents oceanic or atmospheric flows on the sphere. The approach is based on the use of a local high-order non-orthogonal basis, and is equivalent to the use of vectorial shape and test functions to represent the vectorial conservation laws on the manifold's surface. A method is finally proposed to analyze the dispersion and dissipation properties of any numerical scheme on any kind of grid, possibly unstructured. The DG method is then compared to other techniques as the mixed non-conforming linear elements, and the impact of unstructured meshes is studied.

L'équation de transport, dans le régime fortement collisionnel admet une limite asymptotique de diffusion. Les discrétisations angulaires comme la méthode des ordonnées discrètes Sn où le développement tronqué en harmonique sphérique Pn préservent aussi cette limite de diffusion. Par conséquent, il est intéressant de construire pour de tels systèmes des méthodes de volumes finis sur maillages non structurés qui préservent cette limite de diffusion pour des grilles grossières. En effet, ces modèles peuvent être couplés avec des codes hydrodynamiques Lagrangiens qui génèrent des maillages très tordus. Pour commencer, on considère la discrétisation angulaire la plus simple de l'équation de transport appelée le modèle P1. Après une rapide introduction sur les méthodes 1D, on commence par modifier le schéma acoustique en dimension deux avec la méthode de Jin-Levermore. Le schéma ainsi obtenu n'est pas convergent dans le régime de diffusion car le schéma de diffusion valide n'est pas consistant sur maillages non structurés. Pour résoudre ce problème, on a proposé de nouvelles méthodes valides sur maillages non structurés. Ces méthodes sont basées sur un autre formalisme des méthodes de volumes finis ou les flux sont localisés aux interfaces, couplé avec la méthode de Jin-Levermore. On obtient deux schémas convergents qui dérivent sur les schémas asymptotic preserving 1D. Le schéma limite de diffusion obtenu est un nouveau schéma pour lequel on a donné une preuve de convergence. Dans un second temps, on a proposé une extension du travail réalisé pour le modèle P1 dans le cadre des discrétisations angulaires d'ordres élevés. Pour obtenir une discrétisation asymptotic preserving pour ces modèles on a utilisé une décomposition entre la discrétisation angulaire de premier ordre et les discrétisations angulaires d'ordres supérieurs. Enfin on a étudié la discrétisation du problème d'absorption/émission présent en transfert radiatif ainsi que la discrétisation du modèle non linéaire M1. L'approximation du modèle M1 est basé sur un couplage entre un schéma Lagrange+projection pour une reformulation du modèle M1 et la méthode de Jin-Levermore. La méthode numérique obtenue préserve la limite asymptotique, l'inégalité d'entropie et le principe du maximum associé au système sur maillages non structurés.

L'objectif de cette thèse était de proposer, puis de valider expérimentalement, un ensemble de méthodes algorithmiques permettant le remaillage parallèle de maillages distribués, en s'appuyant sur une méthode séquentielle de remaillage préexistante. Cet objectif a été atteint par étapes : définition de structures de données et de schémas de communication adaptés aux maillages distribués, permettant le déplacement à moindre coût des interfaces entre sous-domaines sur les processeurs d'une architecture à mémoire distribuée ; utilisation d'algorithmes de répartition dynamique de la charge adaptés aux techniques parallèles de remaillage ; conception d'algorithmes parallèles permettant de scinder le problème global de remaillage parallèle en plusieurs sous-tâches séquentielles, susceptibles de s'exécuter concurremment sur les processeurs de la machine parallèle. Ces contributions ont été mises en oeuvre au sein de la bibliothèque parallèle PaMPA, en s'appuyant sur les briques logicielles MMG3D (remaillage séquentiel de maillages tétraédriques) et PT-Scotch (repartitionnement parallèle de graphes). La bibliothèque PaMPA offre ainsi les fonctionnalités suivantes : communication transparente entre processeurs voisins des valeurs portées par les noeuds, les éléments, etc. ;remaillage, selon des critères fournis par l'utilisateur, de portions du maillage distribué, en offrant une qualité constante, que les éléments à remailler soient portés par un unique processeur ou bien répartis sur plusieurs d'entre eux ; répartition et redistribution de la charge des maillages pour préserver l'efficacité des simulations après remaillage. / The purpose of this thesis was to propose and to validate experimentally a set of algorithmic methods for the parallel remeshing of distributed meshes, based on a preexisting sequential remeshing method. This goal has been achieved through several steps : definition of data structures and of communication schemes suitable for distributed meshes, allowing for cheap migration of subdomain interfaces across the processors of a distributed-memory architecture ; use of dynamic load balancing algorithms suitable for parallel remeshing techniques ; design of parallel algorithms for splitting the global remeshing problem into several independent sequential tasks, susceptible to be executed concurrently across the processors of the parallel machine. These contributions have been implemented into the PaMPA parallel library, taking advantage of the MMG3D (sequential anisotropic tetrahedral remesher) PT-Scotch (parallel graph repartitioning) software. The PaMPA library consequently provides the following features : transparent communication across neighboring processors of data borne by nodes, elements, etc.; remeshing, according to used-defined criteria, of portions of the distributed mesh, that yields constant quality, irrespective of whether elements to be remeshed are located on a single processor or distributed across several of them ; balancing and redistribution of the workload of the mesh, to preserve the efficiency of simulations after the remeshing phase.