Certain numerical methods have been well developed for solving one-dimensional two-phase flow (e.g. gas and liquid) problems in the literatures during the last two decades. Based on the existing methods, the present work compares the computational efficiency, accuracy, and robustness of various numerical schemes by predicting the numerical solutions of fluid properties for a specific case to find the proper numerical method. One of the numerical schemes introduced in this work is a practical, semi-implicit upwind method used for fluid flow simulations in different flow patterns,stratified flow and slug flow. This method implements the iterative and non-iterative schemes using a two-fluid model that consists of sets of non-hyperbolic equations. A numerical error term is applied in the pressure equation to maintain the volume balance of the two-phase flow model. If the temperature varies, the discretised energy equations use similar error terms as in the pressure equation. In some cases, the small values of the numerical errors are negligible and do not influence the numerical results. These errors are, however, important factors to consider when maintaining the stability and robustness of the above numerical schemes for strong non-linear cases. The computational efficiency ofthe non-iterative scheme, where the inner iterations are deactivated, is better than the iterative scheme. Different grid arrangements are compared with respect to computational accuracy and efficiency. A staggered structured grid implements the same semi-implicit upwind method as in the non-iterative scheme; the non-staggered grid arrangement uses an existing flux-splitting scheme (Evje and Flåtten, 2003) as a reference. All the above schemes produce numerical solutions with a single precision that normally satisfy the requirements of computational accuracy of industrial two-phase pipe flows. However, if one pursues a higher-order accuracy scheme, e.g. a Roe-averaged algorithm, the governing equations should be strictly a hyperbolic system of partial differential equations, which is achieved by introducing the nonviscous force terms in the two-fluid model (LeVeque, 2002).By properly incorporating the non-conservative terms in the formulation of the numerical fluxes, the capability of the Roe-averaged algorithm is demonstrated by capturing shock waves. Results from the present research include the following. A one-dimensional scheme that solves a system of discretised equations with the staggered semi-implicit upwind method is presented and validated for its computational efficiencyand robustness. This scheme can be widely used in the industry with sufficient accuracy. The other first-order semi-implicit numerical schemes producestable numerical results, especially in the dynamic cases of two-phase flow, except when the gas phase nearly disappears or appears in pipes. The Roe-averaged algorithm is recommended due to the high-resolution numerical results obtained, but at the costs of computational time and effort.

This thesis introduces models for pricing credit default swaps (CDS) and evaluating the counterparty risk when buying a CDS in the over-the-counter (OTC) market from a counterpart subjected to default risk. Rather than assuming that the default of the referencing firm of the CDS is independent of the trading parties in the CDS, this thesis proposes models that capture the default correlation amongst the three parties involved in the trade, namely the referencing firm, the buyer and the seller. We investigate how the counterparty risk that CDS buyers face can be affected by default correlation and how their balance sheet could be influenced by the changes in counterparty risk. The correlation of corporate default events has been frequently observed in credit markets due to the close business relationships of certain firms in the economy. One of the many mathematical approaches to model that correlation is default contagion. We propose an innovative model of default contagion which provides more flexibility by allowing the affected firm to recover from a default contagion event. We give a detailed derivation of the partial differential equations (PDE) for valuing both the CDS and the credit value adjustment (CVA). Numerical techniques are exploited to solve these PDEs. We compare our model against other models from the literature when measuring the CVA of an OTC CDS when the default risk of the referencing firm and the CDS seller is correlated. Further, the model is extended to incorporate economy-wide events that will damage all firms' credit at the same time-this is another kind of default correlation. Advanced numerical techniques are proposed to solve the resulting partial-integro differential equations (PIDE). We focus on investigating the different role of default contagion and economy-wide events have in terms of shaping the default correlation and counterparty risk. We complete the study by extending the model to include bilateral counterparty risk, which considers the default of the buyer and the correlation among the three parties. Again, our extension leads to a higher-dimensional problem that we must tackle with hybrid numerical schemes. The CVA and debit value adjustment (DVA) are analysed in detail and we are able to value the profit and loss to the investor's balance sheet due to CVA and DVA profit and loss under different market circumstances including default contagion.

In this research, we study two different geometric approaches, namely, the discrete exterior calculus and differential complexes, for developing numerical schemes for linear and nonlinear elasticity. Using some ideas from discrete exterior calculus (DEC), we present a geometric discretization scheme for incompressible linearized elasticity. After characterizing the configuration manifold of volume- preserving discrete deformations, we use Hamilton’s principle on this configuration manifold. The discrete Euler-Lagrange equations are obtained without using Lagrange multipliers. The main difference between our approach and the mixed finite element formulations is that we simultaneously use three different discrete spaces for the displacement field. We test the efficiency and robustness of this geometric scheme using some numerical examples. In particular, we do not see any volume locking and/or checkerboarding of pressure in our numerical examples. This suggests that our choice of discrete solution spaces is compatible. On the other hand, it has been observed that the linear elastostatics complex can be used to find very efficient numerical schemes. We use some geometric techniques to obtain differential complexes for nonlinear elastostatics. In particular, by introducing stress functions for the Cauchy and the second Piola-Kirchhoff stress tensors, we show that 2D and 3D nonlinear elastostatics admit separate kinematic and kinetic complexes. We show that stress functions corresponding to the first Piola-Kirchhoff stress tensor allow us to write a complex for 3D nonlinear elastostatics that similar to the complex of 3D linear elastostatics contains both the kinematics an kinetics of motion. We study linear and nonlinear compatibility equations for curved ambient spaces and motions of surfaces in R3. We also study the relationship between the linear elastostatics complex and the de Rham complex. The geometric approach presented in this research is crucial for understanding connections between linear and nonlinear elastostatics and the Hodge Laplacian, which can enable one to convert numerical schemes of the Hodge Laplacian to those for linear and possibly nonlinear elastostatics.

Nous nous intéressons dans ce mémoire à des méthodes de parallélisation par découplage du système dynamique. Plusieurs applications numériques de nos jours conduisent à des systèmes dynamiques de grande taille et nécessitent des méthodes de parallélisation en conséquence pour pouvoir être résolues sur les machines de calcul à plusieurs processeurs. Notre but est de trouver une méthode numérique à la fois consistante et stable pour réduire le temps de la résolution numérique. La première approche consiste à découpler le système dynamique en sous-systèmes contenant des sous-ensembles de variables indépendants et à remplacer les termes de couplage par l’extrapolation polynomiale. Une telle méthode a été introduite sous le nom de schéma C (p, q, j), nous améliorons ce schéma en introduisant la possibilité à utiliser des pas de temps adaptatifs. Cependant, notre étude montre que cette méthode de découplage ne peut satisfaire les propriétés numériques que sous des conditions très strictes et ne peut donc pas s’appliquer aux problèmes raides présentant des couplages forts entre les sous-systèmes. Afin de pouvoir répondre à cette problématique de découplage des systèmes fortement couplés, on introduit le deuxième axe de recherche, dont l’outil principal est la réduction d’ordre du modèle. L’idée est de remplacer le couplage entre les sous-ensembles de variables du système par leurs représentations sous forme réduite. Ces sous-systèmes peuvent être distribués sur une architecture de calcul parallèle. Notre analyse du schéma de découplage résultant nous conduit à définir un critère mathématique pour la mise à jour des bases réduites entre les sous-systèmes. La méthode de réduction d’ordre du modèle utilisée est fondée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Cependant, ne disposant pas à priori des données requises pour la construction de la base réduite, nous proposons alors un algorithme de construction incrémentale de la base réduite permettant de représenter le maximum des dynamiques des solutions présentes dans l’intervalle de simulation. Nous avons appliqué la méthode proposée sur les différents systèmes dynamiques tels que l’exemple provenant d’une EDP et celui provenant de l’équation de Navier Stokes. La méthode proposée montre l’avantage de l’utilisation de l’algorithme de découplage basé sur la réduction d’ordre. Les solutions numériques sont obtenues avec une bonne précision comparées à celle obtenue par une méthode de résolution classique tout en restant très performante selon le nombre de sous-systèmes définis. / In this thesis, we are interested in parallelization algorithm for solving dynamical systems. Many industrial applications nowadays lead to large systems of huge number of variables. A such dynamical system requires parallel method in order to be solved on parallel computers. Our goal is to find a robust numerical method satisfying stability and consistency properties and suitable to be implemented in parallel machines. The first method developed in this thesis consists in decoupling dynamical system into independent subsystems and using polynomial extrapolation for coupled terms between subsystems. Such a method is called C(p; q; j).We have extended this numerical scheme to adaptive time steps. However, this method admits poor numerical properties and therefore cannot be applied in solving stiff systems with strong coupling terms.When dealing with systems whose variables are strongly coupled, contrary to the technique of using extrapolation for coupled terms, one may suggest to use reduced order models to replace those terms and solve separately each independent subsystems. Thus, we introduced the second approach consisting in using order reduction technique in decoupling dynamical systems. The order reduction method uses the Proper Orthogonal Decomposition. Therefore, when constructing reduced order models, we do not have all the solutions required for the POD basis, then we developed a technique of updating the POD during the simulation process. This method is applied successfully to solve different examples of dynamical systems : one example of stiff ODE provided from PDE and the other was the ODE system provided from the Nervier-Stokes equations. As a result, we have proposed a robust method of decoupling dynamical system based on reduced order technique. We have obtained good approximations to the reference solution with appropriated precision. Moreover, we obtained a great performance when solving the problem on parallel computers.

Notre étude vise à modéliser l’écoulement pulsé sanguin dans le réseau vasculaire humain. Celui ci est constitué d’un très grand nombre de vaisseaux disposés dans un vaste réseau ayant différentes propriétés mécaniques. Le modèle simplifié unidimensionnel (1D) permet une étude numérique dans le réseau sanguin et plusieurs applications seront proposées.Le modèle 1D est établi grâce aux hypothèses de grande longueur d’onde de l’onde de pouls comparée aux rayons des vaisseaux et de profil de vitesse de révolution, en moyennant transversalement les équations de Navier-Stokes et de conservation de la masse. Un modèle viscoélastique de Kelvin-Voigt est adopté pour l’équation constitutive du tube. Cela conduit à un système hyperbolique-parabolique non linéaire, qui est ensuite résolu avec quatre schémas numériques, à savoir: MacCormack, Taylor-Galerkin, schéma monotone décentré pour les équations de loi de conservation (MUSCL) et Galerkin discontinu local. Les schémas sont mis en oeuvre dans un premier temps dans MATLAB et les solutions numériques sont vérifiées favorablement à des solutions semi-analytiques et des observations cliniques. Des comparaisons entre les schémas sont faites pour quatre aspects importants: la précision, la capacité de capturer desphénomènes de type choc, la vitesse de calcul et la complexité de la mise en oeuvre, enfin les conditions appropriées pour l’application de chaque système sont discutées. Après cela, un code objet général en C++ est développé et testé sur plusieurs réseaux: un cercle d’artères, un réseau systémique humain de 55 artères et un rein de souris avec plus d’un millier les segments. La répartition en fonction du temps de la pression dans les réseaux est visualisée et les modes de propagation des ondes sont bien capturés. Une bonne accélération est atteinte par parallélisation du code.Le code développé est ensuite appliqué dans trois études. En premier lieu, les coefficients de frottement du fluide et la viscosité de la paroi sontdéterminés avec des dispositifs expérimentaux bien définis constitués de tuyaux élastiques in vitro. Ces deux facteurs amortissant les ondes de pouls, ils sont difficiles à évaluer séparément. Nous les estimons par ajustement du modèle viscoélastique 1D avec les ondes de pression mesurées expérimentalement. Les valeurs ajustées des paramètres viscoélastiques sont conformes aux valeurs estimées avec d’autres méthodes. Les deux effets visqueux sont du même ordre de grandeur. In vivo, des séries chronologiques de la pression du diamètre en différents points d’un réseau artériel de mouton, sont analysées et les paramètres de viscoélasticité sont estimés. Le réseau du mouton est ensuite simulé, on montre que la viscoélasticité amortit de manière significative les hautes fréquences. En troisième lieu, la variation de la circulation induite par des anastomoses axillo- et fémoro-fémorales avec une sténose iliaquesévère est simulée. L’influence de la voie de contournement est étudié. / The vascular network consists of a very large number of segments with various properties and thus the pulsatile blood flow inside is very complicated. With the time-domain-based nonlinear 1D model, this thesis studies the blood flow in networks, focusing on the numerical computing and several applications.With assumptions of long wave and axisymmetric velocity profile, the 1D governing equations of mass and momentum are derived by integrating the continuity and Navier-Stokes equations along the radius.A Kelvin-Voigt viscoelastic model is adopted for the constitutive equation of the tube.This leads to a nonlinear hyperbolic-parabolic system, which is then solved with four numerical schemes, namely: MacCormack, Taylor-Galerkin, Monotonic Upwind Scheme for Conservation Law (MUSCL) and local discontinuous Galerkin.The schemes are implemented in MATLAB and the numerical solutions are checked favorably against analytical, semi-analytical solutions and clinical observations.Among the numerical schemes, comparisons are made in four important aspects: accuracy, ability to capture shock-like phenomena, computational speed and implementation complexity. The suitable conditions for the application of each scheme are discussed.After this, a general purpose C++ code is developed and tested on several networks:a circle of arteries, a human systemic network with 55 arteries and a mouse kidney with more than one thousand segments. The time dependent distribution of pressure in the networks is visualized and the propagation patterns of the waves are well captured.Good speedup is achieved by parallelizations of the code.The developed code is applied in three studies.First, the coefficients of fluid friction and wall viscosity are determined with aides of a well defined experimental setup.Because both the two factors damp the pulse waves, they are difficult to evaluate separately.We estimate them in pairs by fitting the 1D viscoelastic model against pressure waves measured on the experimental setup. The fitted values of viscoelastic parameters are consistent with values estimated with other methods.The effect of wall viscosity on the pulse wave has been shown in the same order of that of fluid viscosity.Second, with time series of pressure and diameter measured in several locations of the sheep arterial network,the viscoelasticity parameters are estimated.With those values, the pulse waves in the sheep network are simulated and the effect of viscoelasticity is investigated.Numerical solutions show that the viscoelasticity damps significantly the high frequency components of the pulse waves.Third, we simulate the change of blood flow induced by the axillofemoral and femoral-femoral anastomoses with a severe iliac stenosis.The influence of the bypassing path is studied.

Itô diffusions that move on level sets of functions in Rn, which we have called level processes, are an overlooked variant of the classical Itô processes. These processes find themselves nestled between the study of regular Itô diffusions in Rn and diffusions which are bound to smooth manifolds. In this thesis we present how to construct these level processes, in both the plane and n-space, with their properties in the plane being examined. We also show how these processes connect to the Itô diffusions on smooth manifolds. In addition, we derive how to affix a given system of Itô diffusion to a level set, given certain constraints. Lastly, we give a brief overview of three numerical schemes for stochastic differential equations and investigate their applicability to the simulation of level processes. For both the probabilistic and numeric sections, reflections on the work done are given and possible extensions, such as the relaxation of the smoothness condition for the level set, are briefly outlined.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’analyse mathématique théorique et numérique des équations deNavier-Stokes compressibles en régime barotrope. La plupart des travaux présentés ici combinent desméthodes d’analyse des équations aux dérivées partielles et des méthodes d’analyse numérique afin de clarifierla notion de solution faible ainsi que les mécanismes de convergence de méthodes numériques approximant cessolutions faibles. En effet les équations de Navier-Stokes compressibles sont fortement non linéaires et leuranalyse mathématique repose nécessairement sur la structure de ces équations. Plus précisément, nousprouvons dans la partie théorique l’existence de solutions faibles pour un modèle d’écoulement compressibled’entropie variable où l’entropie du système est transportée. Nous utilisons les méthodes classiques permettantde prouver l’existence de solutions faibles aux équations de Navier-Stokes compressibles en regime barotrope.Nous étudions aussi dans cette partie la réduction de dimension 3D/2D dans les équations de Navier-Stokescompressibles en utilisant la méthode d’énergie relative. Dans la partie numérique nous nous intéressons auxestimations d’erreur inconditionnelles pour des schémas numériques approximant les solutions faibles deséquations de Navier-Stokes compressibles. Ces estimations d’erreur sont obtenues à l’aide d’une versiondiscrète de l’énergie relative satisfaite par les solutions discrètes de ces schémas. Ces estimations d’erreur sontobtenues pour un schéma numérique académique de type volumes finis/éléments finis ainsi que pour le schémanumérique Marker-and-Cell. Nous prouvons aussi que le schéma Marker-and-Cell est inconditionnellement etuniformément asymptotiquement stable en régime bas Mach. Ces résultats constituent les premiers résultatsd’estimations d’erreur inconditionnelles pour des schémas numériques pour les équations de Navier-Stokescompressibles en régime barorope. / In this thesis, we deal with mathematical and numerical analysis of compressible Navier-Stokes equations inbarotropic regime. Most of these works presented here combine mathematical analysis of partial differentialequations and numerical methods with aim to shred more light on the construction of weak solutions on oneside and on the convergence mechanisms of numerical methods approximating these weak solutions on theother side. Indeed, the compressible Navier-Stokes equations are strongly nonlinear and their mathematicalanalysis necessarily relies on the structure of equations. More precisely, we prove in the theorical part theexistence of weak solutions for a model a flow of compressible viscous fluid with variable entropy where theentropy is transported. We use the classical techniques to prove the existence of weak solutions for thecompressible Navier-Stokes equations in barotropic regime. We also investigate the 3D/2D dimensionreduction in the compressible Navier-Stokes equations using the relative energy method. In the numerical wedeal with unconditionally error estimates for numerical schemes approximating weak solutions of thecompressible Navier-Stokes equations. These error estimates are obtained by using the discrete version of therelative energy method. These error estimates are obtained for a academic finite volume/finite element schemeand for the Marker-and-Cell scheme. We also prove that the Marker-and-cell scheme is unconditionally anduniformly asymptotically stable at the Low Mach number regime. These are the first results onunconditionally error estimates for numerical schemes approximating the compressible Navier-Stokesequations in barotropic regime.

The equatorial atmosphere harbours a large spectrum of waves that are trapped near and travel along the equator. These equatorially trapped waves interact nonlinearly with each other, with the extra-tropics and with the planetary-barotropic waves. Here, we consider advected shallow water equations that represent interactions of these equatorial waves, associated with the first baroclinic mode, with prescribed meridional-barotropic shears. We present three well-known numerical schemes for handling this system and discuss the risk of applying them crudely to equatorial waves. We study the properties of these waves, such as their phase speed and their trapping around the equator, using two approaches: linear analysis and the time evolutions of the system derived by meridional projection of the barotropic-first baroclinic system. We show that in the sheared environment the symmetric (anti-symmetric) equatorial waves excite other symmetric (anti-symmetric) equatorial waves of the same wavenumber and of different strengths.

Les travaux de cette thèse, réalisés au sein de l’équipe CLEF/DMFN de l’ONERA (Office National d’ Etudes et de Recherches Aérospatiales) en partenariat avec le laboratoire DynFluid et le CIRT (Consortium Industrie-Recherche en Turbomachines) s’inscrivent dans une demarche d’amélioration des outils de simulations pour les turbomachines. Compte tenu de ce contexte, l’objectif de cette étude est de développer de nouvelles méthodes pour le traitement des raccords non coincidents dans les turbomachines qui soit à la fois d’ordre elevé et conservatifs. Les développements proposés sont validés et composés de configurations de difficulté croissante. / A high-order and conservative method is developed for the numerical treatment of interface conditions in patched grids, based on the use of a ctitious grid methodology. The proposed approach is compared with a non-conservative interpolation of the state variables from the neighbouring domain for selected internal fow problems.

Dans cette thèse, on étudie la stabilité orbitale d’états stationnaires de modèles mathématiques de type "Hamiltonian mean-field", dits modèles HMF. Cette étude est d’abord menée d’un point de vue théorique en utilisant des méthodes variationnelles. Puis, elle est menée d’un point de vue numérique en commençant par l’élaboration de schémas conservant exactement des états stationnaires. Le Chapitre 2 présente une étude théorique de la stabilité orbitale des états stationnaires du modèle HMF Poisson. Plus précisément, on prouve la stabilité orbitale d’une grande classe d’états stationnaires solutions du système HMF avec potentiel de Poisson. Ces états stationnaires sont des minimiseurs d’un problème à une, deux ou une infinité de contraintes d’une certaine fonctionnelle. La preuve s’appuie sur une approche variationnelle. Cependant le caractère borné du domaine empêche l’utilisation des techniques usuelles basées sur des invariances d’échelles. On introduit alors de nouvelles méthodes, spécifiques à ce problème, mais demeurant dans l’esprit des outils de réarrangements introduits pour le système de Vlasov-Poisson. En particulier, ces méthodes permettent de considérer un nombre arbitraire de contraintes et aboutissent à un résultat de stabilité pour une grande classe d’états stationnaires. Dans le Chapitre 3, on construit des schémas numériques conservant exactement des états stationnaires donnés. Ces schémas modélisent mieux la propriété de stabilité orbitale que les schémas classiques. Puis, on propose un schéma plus général en construisant un schéma qui conserve tous les états stationnaires des modèles HMF. Pour finir, à l’aide de ces schémas, est menée une étude numérique de la stabilité des états stationnaires du système de HMF Poisson qui vient compléter l’étude théorique du Chapitre 2. / In this thesis, we study the nonlinear orbital stability of steady states of "Hamiltonian mean-field" models, called HMF models. First, this study is being done theoretically by using variational methods. It is then carried out numerically by building numerical schemes wich exactly preserve steady states. Chapter 2 presents a theoretical study of the orbital stability of steady states which are solutions to the HMF Poisson system. More specifically, the orbital stability of a large class of steady states which are solutions to the HMF system with Poisson potential is proved. These steady states are obtained as minimizers of an energy functional under one, two or infinitely many constraints. The proof relies on a variational approach. However the boundedness of the space domain prevents us from using usal technics based on scale invariance. Therefore, we introduce new methods which, although specific to our context, remain somehow in the same spirit of rearrangements tools introduced for the Vlasov-Poisson system. In particular, these methods allow for the incorporation of an arbitrary number of constraints, and yield a stability result for a large class of steady states. In Chapter 3, numerical schemes exactly preserving given steady states are built. These schemes model the orbital stability property better than the classic ones. Then, a more general scheme is introduced by building a scheme wich preserves all steady states of HMF models. Lastly, by means of these schemes, we conduct a numerical study of stability of steady states solutions to HMF Poisson system. This completes the theoretical study in Chapter 2.