In this document I present the works I undertook since the end of my Ph.D. I started my Ph.D in September 2004 at the Laboratoire de Probabilit{é}s et Mod{é}les Al{é}atoires of Universit{é} Paris 6. I was then hired in October 2007 by the CNRS and spent my first two years at the Laboratoire d'Analyse, Topologie et Probabilit{é} in Marseille. In 2009, I moved to the Laboratoire d'Analyse et Math{é}matiques Appliqu{é}es at the Universit{é} Paris-Est Marne-la-vall{é}e. I will also use the opportunity of writing this manuscript to add some remarks and extensions to these works.

Le sujet principal de la thèse est l'étude de processus obtenus à<br />partir du mouvement brownien par différents types de changements de<br />probabilité (pénalisations). De cette manière, nous construisons des<br />processus qui sont fortement liés aux temps locaux browniens et aux<br />temps locaux d'intersection; en particulier, nous généralisons le<br />modèle d'Edwards, un modèle de polymère obtenu par pénalisation des<br />auto-intersections browniennes.

Une méthode de pénalisation en volume est implémentée de façon implicite dans un code pseudo-spectral tri-périodique. Le schéma est étudié et la méthode numérique est testée et validée à l'aide de benchmarks concernant des effets linéaires anisotropes -- propagation et réflexion d'ondes d'inertie et internes de gravité--ou la réflexion de structures tourbillonnaires. Cet outil numérique est alors appliqué à des écoulements turbulents en rotation confinés dans une géométrie cylindrique. Les effets globaux du confinement sont observés (anisotropie des petites échelles, etc) ainsi que des effets locaux de proche paroi (modification des pdfs, élongation verticale des grandes structures tourbillonnaires, etc). Enfin, la méthode de pénalisation est utilisée à des fins de forçage de la turbulence dans un contexte de type von Kármán et l'écoulement généré au coeur du domaine est étudié en détail et comparé à des approches théoriques. Différentes géométries pour les pales sont testées et les résultats obtenus révèlent des différences significatives dans la structure de l'écoulement en fonction de la forme des pales utilisées.

Ce travail est dédié au développement d'une méthode numérique pour la simulation des écoulements liquide-bulles. La présence des bulles dans l'écoulement visqueux et incompressible est prise en compte via une méthode de pénalisation. Dans cette représentation Euler-Lagrange, les bulles supposées indéformables et parfaitement sphériques sont assimilées à des objets pénalisés interagissant avec le fluide. Une méthode VOF (Volume Of Fluid) est employée pour le suivi de la fonction de phase. Une adaptation de la discrétisation des équations de Navier-Stokes est proposée afin d'imposer la condition de glissement à l'interface entre le liquide et les bulles. Une méthode de couplage entre le mouvement des bulles et l'action du liquide est proposée. La stratégie de validation est la suivante. Dans un premier temps, une série de cas-tests est proposée; les objets pénalisés sont supposés en non-interaction avec le fluide. L'étude permet d'exhiber la convergence et la précision de la méthode numérique. Dans un second temps le couplage est testé via deux types de configurations de validation. Le couplage est d'abord testé en configuration de bulle isolée, pour une bulle en ascension dans un liquide au repos pour les Reynolds Re=17 and Re=71. Les résultats sont comparés avec la théorie établie par la corrélation de Mei pour les bulles sphériques propres décrivant intégralement la dynamique de la bulle. Enfin, des simulations en configurations de nuage de bulles sont présentées, pour des populations mono- et bidisperses dans un domaine entièrement périodique pour des taux de vide s'établissant entre 1% et 15%. Les statistiques fournies par les simulations caractérisant l'agitation induite par les bulles sont comparées à des résultats expérimentaux. Pour les simulations de nuages de bulles bidisperses, de nouveaux résultats sont présentés.

Les écoulements autour de structures en mouvement font l'objet de plusieurs travaux numériques et expérimentaux. L'objectif de ce travail de thèse consiste à montrer la pertinence de la combinaison de la pénalisation volumique avec la méthode de lattice Boltzmann (LBM), dans l'étude du mouvement d'obstacles mobiles dans un écoulement, et de leur interaction avec celui-ci. La LBM,qui est simple et précise à mettre en œuvre, a prouvé ces dernières années son efficacité dans le domaine de la mécanique des fluides. Par ailleurs, la méthode de pénalisation volumique consiste à introduire un terme de pénalisation dans l'équation que l'on souhaite résoudre, afin de prendre en compte l'influence de l'obstacle sur le domaine fluide. Comme cette équation est résolue sur l'ensemble du domaine composé du fluide et du solide, les conditions aux limites à l'interface fluide-solide sont appliquées de façon naturelle. Il semble donc aisé de combiner cette technique avec la méthode de lattice Boltzmann. Nous avons dans un premier temps rappelé les notions de base et les principales caractéristiques de la méthode de lattice Boltzmann. On a présenté quelques exemples d'applications sur des cas tests, que nous avons programmés. Ensuite, une étude bibliographique faisant état des différentes approches qui utilisent la LBM dans l'étude des problèmes d'interaction fluide structure (IFS) a été réalisée. Puis, la combinaison de la pénalisation volumique avec la LBM a été testée avec succès sur l'équation de Burgers monodimensionnelle. La validation s'est portée en premier lieu, sur un écoulement autour d'un solide fixe, puis sur un écoulement autour d'une structure dont le mouvement est imposé, et finalement sur un problème d'IFS de type masse-ressort. La méthode développée a été ensuite testée sur les équations de Navier-Stokes, en considérant un fluide incompressible et une structure rigide. La validation s'est portée tout d'abord sur un écoulement autour d'obstacles immobiles (carré et cylindre), puis autour d'un cylindre mobile en oscillations forcées et libres. Enfin, une dernière application a été portée sur un écoulement entre deux plaques mobiles dans un canal. Nous avons montré que pour tous les cas étudiés, l'approche développée donne de bons résultats, elle reproduit avec précision les résultats de référence. / Flows around moving bodies are the subject of several numerical and experimental studies. The work presented in this document deals with the implementation of a volume penalization technique in a lattice Boltzmann model (LBM), in order to compute flows around moving obstacles. The LBM, which is accurate and easy to implement, has been successfully applied in fluid mechanics during the last decades. It was thus chosen in the present work, for flow computation. Furthermore, the volume penalization technique consists in introducing a volume penalization term into the equation that needs to be solved, in order to take into account the influence of the obstacle on the fluid domain. Since this equation is solved on both fluid and solid domains, the boundary conditions at the fluid-solid interface are naturally applied. Hence this technique seems easy to implement in a lattice Boltzmann framework. In the first chapter, the foundations and the main features of the lattice Boltzmann method are recalled, and several test cases that we simulated are presented. The second chapter deals with a literature review of the techniques developed for the simulation of fluid structure interaction problems in combination with the LBM. In the third chapter, the volume penalization method combined with the LBM was first applied to the one dimensional Burgers equation, considering motionless and moving obstacles (forced motion, and coupling between the fluid force calculated with the penalized Burgers equation and the motion of the obstacle). The combination of the volume penalization approach and the LBM was then employed to solve the incompressible NavierStokes equations, for cases of flows past motionless obstacles (flows over a square obstacle, and past a circular cylinder), and past an oscillating cylinder (where forced and free oscillations of the cylinder were simulated). Finally, this method was also applied to a symmetric Couette flow. For all these simulated cases, a good agreement with numerical results obtained with other techniques, and with results found in literature, was obtained.

Dans ce travail de thèse, une méthode de pénalisation en volume pour la simulation d'écoulements magnétohydrodynamiques (MHD) en domaines confinés est présentée. Les équations incompressibles de la MHD résistives sont résolues par le truchement d'un solveur pseudo-spectral parallèlisé. La pénalisation en volume est une méthode de frontières immergées, caractérisée par une grande flexibilité dans le choix de la géométrie de l'écoulement. Dans le cas présent, elle permet d'utiliser des conditions aux limites non-périodiques dans un schéma pseudo-spectral Fourier. La méthode numérique est validée et sa convergence est quantifiée pour des écoulements hydrodynamiques et MHD, en deux et trois dimensions, en comparant les résultats numériques à ceux de la littérature et à des solutions analytiques. Dans un second temps, la génération spontanée de moment cinétique et magnétique est étudiée pour des écoulements MHD confinés 2D et 3D. L'influence du nombre de Reynolds et du rapport des énergies cinétique/magnétique est explorée, ainsi que les différences induites par les conditions aux limites. Le fait que l'axisymétrie des frontières résulte en un terme de pression non-nul est primordial pour engendrer de grandes valeurs du moment cinétique. L'exclusivité de cette auto-organisation aux écoulements 2D est étudiée en considérant la MHD 3D en présence d'un fort champ magnétique axial. La suite est consacrée à la simulation d'un fluide conducteur dans un cylindre avec un forçage magnétique axial et poloidal. En faisant varier l'amplitude du forçage poloidal, différents états dynamiques sont atteints. Enfin, l'effet du nombre de Prandtl sur le seuil des instabilitées est étudié. / A volume penalization method for the simulation of magnetohydrodynamic (MHD) flows in confined domains is presented. Incompressible resistive MHD equations are solved in 3D by means of a parallelized pseudo-spectral solver. The volume penalization technique is an immersed boundary method, characterized by a high flexibility in the choice of the geometry of the considered flow. In the present case, it allows the use of conditions different from periodic boundaries in a Fourier pseudo-spectral scheme. The numerical method is validated and its convergence is assessed for two- and three-dimensional hydrodynamical and MHD flows by comparing the numerical results with those of the literature or analytical solutions. Then, the spontaneous generation of kinetic and magnetic angular momentum is studied for confined 2D and 3D MHD flows. The influence of the Reynolds number and of the ratio of kinetic/magnetic energies is explored, as well as the differences induced by the boundary conditions. The fact that axisymmetric borders introduce a non-zero pressure term in the evolution equation of the angular momentum is essential to generate large values of the angular momentum. It is investigated whether this self-organization is exclusively observed in 2D flows by considering 3D MHD in the presence of a strong axial magnetic field. The last part is devoted to the simulation of a conducting fluid in a periodic cylinder with imposed axial and poloidal magnetic forcing, implying a resulting magnetic field. By varying the amplitude of the poloidal forcing, different dynamical states can be achieved. The effect of the Prandtl number on the threshold of the instabilities is then studied.

Le problème de la mécanique des fluides, concernant les écoulements décollés derrière des obstacles immobiles ou en mouvement, est traité par l’étude de deux sujets: a) recherches sur l’existence de solutions stationnaires des equations d’Euler et Navier-Stokes pour grands nombres de Reynolds, au-delà des corps caractérisés par pointes ou singularités géométriques; b) analyse du sillage non stationnaire derrière une turbine à axe vertical (VAT). L’étude de ces deux différents régimes d’écoulements, concernant le phénomène du détachement derrière corps émoussés ou profils alaires à haut angle d’incidence, a permis la mise au point de plusieurs techniques analytiques et numériques basées sur le champ de vorticité. / The problem of the separated flows dynamics past obstacles at rest or moving bodies is addressed by means of the study of two topics a) investigation on the existence of some steady solutions of the Euler equations and of the Navier-Stokes equations at large Reynolds number, past bodies characterized by a cusp; b) analysis of the unsteady wake behind a Vertical Axis Turbine (VAT). The survey of such different flow regimes related to the separation phenomenon past bluff bodies or bodies at incidence allowed to devise several numerical and analytical techniques based on the evaluation of the vorticity field.

Pour concevoir les futurs réacteurs à fusion nucléaire, une bonne compréhension des mécanismes régissant l'intéraction plasma-paroi est requise. En particulier, il est nécessaire d'estimer quantitativement les flux de chaleurs impactant les matériaux et la contamination du coeur par les impuretés provenant du mur. Dans ce contexte, le code fluide SolEdge2D a été développé pour simuler le transport dans le plasma de bord. L'interaction plasma-paroi est prise en compte grâce à une méthode de pénalisation innovante et originale. Cette méthode permet en particulier de modéliser la géométrie complexe des éléments face au plasma avec une grande flexibilité. En parallèle, une étude plus théorique sur les propriétés du transport dans les milieux faiblement collisionels a été conduite avec les physiciens du groupe CSDC de l'université de Florence. Une généralisation de la loi de Fourier prenant en compte les corrélation spatio-temporelle à longue distance à été obtenue par l'analyse de modèles stochastiques 1D. Cette loi retrouve en particulier la transition entre un régime diffusif à forte collisionalté et un régime balistique à faible collisionalité. / In the scope of designing future nuclear fusion reactors, a clear understanding of the plasma-wall interaction is mandatory. Indeed, a predictive estimation of heat flux impacting the surface and the subsequent emission of impurities from the wall is necessary to ensure material integrity and energy confinement performances. In that perspective, the fluid code SolEdge2D has been developed to simulate plasma transport in the tokamak edge plasma. The plasma-wall interaction is modeled using an innovative penalization technique. This method enables in particular to take complex plasma facing components geometry into account. In parallel to this numerical effort, a theoretical work has been achieved to find appropriate corrections to fluid closures when collisionality drops. The study of stochastic 1D models has been realized in collaboration with physicists from the CSDC group in Florence. A generalized Fourier law taking long range spatio-temporal correlations has been found to properly account for ballistic transport in the low collisional regime. This formulation is expected to be used to model parallel heat flux or turbulent cross-field transport in tokamak plasmas.

Dans cette thèse, nous étudions des approches basées sur la programmation DC (Difference of Convex functions) et DCA (DC Algorithm) pour la programmation mathématique avec des contraintes d'équilibre, notée MPEC (Mathematical Programming with Equilibrum Constraints en anglais). Etant un sujet classique et difficile de la programmation mathématique et de la recherche opérationnelle, et de par ses diverses applications importantes, MPEC a attiré l'attention de nombreux chercheurs depuis plusieurs années. La thèse se compose de quatre chapitres principaux. Le chapitre 2 étudie une classe de programmes mathématiques avec des contraintes de complémentarité linéaire. En utilisant quatre fonctions de pénalité, nous reformulons le problème considéré comme des problèmes DC standard, i.e minimisation d'une fonction DC sous les contraintes convexes. Nous développons ensuite des algorithmes appropriés basés sur DCA pour résoudre les problèmes DC résultants. Deux d'entre eux sont reformulés encore sous la forme des problèmes DC généraux (i.e. minimisation d'une fonction DC sous des contraintes DC) pour que les sous-problèmes convexes dans DCA soient plus faciles à résoudre. Après la conception de DCA pour le problème considéré, nous développons ces schémas DCA pour deux cas particuliers: la programmation quadratique avec des contraintes de complémentarité linéaire, et le problème de complémentarité aux valeurs propres. Le chapitre 3 aborde une classe de programmes mathématiques avec des contraintes d'inégalité variationnelle. Nous utilisons une technique de pénalisation pour reformuler le problème considéré comme un programme DC. Une variante de DCA et sa version accélérée sont proposées pour résoudre ce programme DC. Comme application, nous résolvons le problème de détermination du prix de péages dans un réseau de transport avec des demandes fixes (" the second-best toll pricing problem with fixed demands" en anglais). Le chapitre 4 se concentre sur une classe de problèmes d'optimisation à deux niveaux avec des variables binaires dans le niveau supérieur. En utilisant une fonction de pénalité exacte, nous reformulons le problème considéré comme un programme DC standard pour lequel nous développons un algorithme efficace basé sur DCA. Nous appliquons l'algorithme proposé pour résoudre le problème d'interdiction de flot maximum dans un réseau ("maximum flow network interdiction problem" en anglais). Dans le chapitre 5, nous nous intéressons au problème de conception de réseau d'équilibre continu ("continuous equilibrium network design problem" en anglais). Il est modélisé sous forme d'un programme mathématique avec des contraintes de complémentarité, brièvement nommé MPCC (Mathematical Program with Complementarity Constraints en anglais). Nous reformulons ce problème MPCC comme un programme DC général et proposons un schéma DCA approprié pour le problème résultant / In this dissertation, we investigate approaches based on DC (Difference of Convex functions) programming and DCA (DC Algorithm) for mathematical programs with equilibrium constraints. Being a classical and challenging topic of nonconvex optimization, and because of its many important applications, mathematical programming with equilibrium constraints has attracted the attention of many researchers since many years. The dissertation consists of four main chapters. Chapter 2 studies a class of mathematical programs with linear complementarity constraints. By using four penalty functions, we reformulate the considered problem as standard DC programs, i.e. minimizing a DC function on a convex set. The appropriate DCA schemes are developed to solve these four DC programs. Two among them are reformulated again as general DC programs (i.e. minimizing a DC function under DC constraints) in order that the convex subproblems in DCA are easier to solve. After designing DCA for the considered problem, we show how to develop these DCA schemes for solving the quadratic problem with linear complementarity constraints and the asymmetric eigenvalue complementarity problem. Chapter 3 addresses a class of mathematical programs with variational inequality constraints. We use a penalty technique to recast the considered problem as a DC program. A variant of DCA and its accelerated version are proposed to solve this DC program. As an application, we tackle the second-best toll pricing problem with fixed demands. Chapter 4 focuses on a class of bilevel optimization problems with binary upper level variables. By using an exact penalty function, we express the bilevel problem as a standard DC program for which an efficient DCA scheme is developed. We apply the proposed algorithm to solve a maximum flow network interdiction problem. In chapter 5, we are interested in the continuous equilibrium network design problem. It was formulated as a Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC). We reformulate this MPCC problem as a general DC program and then propose a suitable DCA scheme for the resulting problem

Cette thèse s'inscrit dans les domaines de la statistique non-asymptotique et de la théorie statistique de la sélection de modèle. Son objet est la construction de procédures d'estimation de paramètres en régression hétéroscédastique. Ce cadre reçoit un intérêt croissant depuis plusieurs années dans de nombreux champs d'application. Les résultats présentés reposent principalement sur des inégalités de concentration et sont illustrés par des applications à des données simulées.<br /><br />La première partie de cette thèse consiste dans l'étude du problème d'estimation de la moyenne et de la variance d'un vecteur gaussien à coordonnées indépendantes. Nous proposons une méthode de choix de modèle basée sur un critère de vraisemblance pénalisé. Nous validons théoriquement cette approche du point de vue non-asymptotique en prouvant des majorations de type oracle du risque de Kullback de nos estimateurs et des vitesses de convergence uniforme sur les boules de Hölder.<br /><br />Un second problème que nous abordons est l'estimation de la fonction de régression dans un cadre hétéroscédastique à dépendances connues. Nous développons des procédures de sélection de modèle tant sous des hypothèses gaussiennes que sous des conditions de moment. Des inégalités oracles non-asymptotiques sont données pour nos estimateurs ainsi que des propriétés d'adaptativité. Nous appliquons en particulier ces résultats à l'estimation d'une composante dans un modèle de régression additif.