Améliorer la connaissance des circulations dans les océans est d'une importance majeure pour la prévision à court et moyen terme de l'évolution du système climatique, ainsi que pour le développement de l'océanographie cotière et de l'océanographie opérationnelle. Les sources d'information disponibles pour accéder à cette connaissance sont, comme en météorologie, les modèles physiques et numériques et les observations. Dans ce contexte, ce mémoire résume l'essentiel de mes travaux de recherche de ces dernieres années, consacrés à la modélisation numérique et l'assimilation de données pour l'océanographie. J'y présente tout d'abord quelques aspects concernant les schémas utilisés dans les modèles numériques. On s'intéresse ensuite au raffinement, éventuellement adaptatif de maillage dans ces modèles, et à son extension naturelle vers le couplage de modèles. Enfin, la dernière partie est consacrée aux méthodes d'assimilation de données, qui visent à fournir un compromis optimal entre observations et prévisions du modèle, et plus particulièrement au développement de méthodes de rang réduit.

Ce travail s'intéresse à la résolution du système de Maxwell dans le domaine temporel sur des maillages héxaédriques orthogonaux localement raffinés de manière conforme ou non-conforme. Une méthode de Galerkin discontinu, reposant sur une approximation centrée pour le calcul des intégrales de surface et un schéma saute-mouton d'ordre 2 pour l'intégration temporelle est présentée. On définit ainsi une classe de schémas non-diffusifs : un équivalent discret de l'énergie électromagnétique est conservée.

Cette thèse, intitulée NSIBM : un solveur parallèle de Navier-Stokes avec raffinement automatique basé sur la méthode des frontières immergées, a été effectuée au sein du laboratoire iCube, département de mécanique, à Strasbourg, dans le quartier de l'Orangerie, sous la direction du professeur Yannick Hoarau. L'essentiel du travail effectué consiste en le développement d'un programme capable de résoudre numériquement l'équation de Navier-Stokes qui régit des fluides en mouvement. Une attention particulière a été portée à la production de maillages conformes aux géométries proposées et à leur génération. Les moyens mis en œuvre ici pour gérer l'éternel problème de la finesse du maillage opposée au trop grand nombre de cellules sont multiples : le raffinement, la parallélisation et les frontières immergées. Dans un premier temps, j'ai conçu un générateur de maillage en deux et trois dimensions en y intégrant la possibilité de diviser des cellules, et cela de manière automatique, par des critères géométriques, numériques ou physiques. Il permet également de supprimer des cellules, de manière à ne pas mailler le vide ou les parties solides de la géométrie.Dans un deuxième temps, j'ai rendu ce code parallèle en lui donnant la capacité d'utiliser plusieurs processeurs, afin de calculer plus vite et donc d'utiliser davantage de mailles. Cette étape fait appel à deux technologies : Metis, qui partage équitablement les mailles sur le nombre choisi de processeurs et OpenMPI, qui est l'interface de communication entre ces processeurs. Enfin, la méthode des frontières immergées a été introduite au code pour gérer les bords non verticaux ou horizontaux dans un maillage cartésien, c'est-à-dire formé de rectangles ou de pavés droits. Elle consiste à donner un caractère hybride à une cellule traversée par une frontière par l'introduction d'un terme numérique de forçage simulant la présence de la paroi.Ce travail de développement a ensuite été mis à l'épreuve et validé dans une série de cas tests en deux comme en trois dimensions. Des exemples de maillages complexes générés facilement sont donnés. / This thesis, entitled NSIBM: a parallel Navier-Stokes solver with automatic mesh refinement based on immersed boundary method, has been conducted within the iCube laboratory dedicated to mechanics and located in Strasbourg. It has been supervised by Professor Yannick Hoarau. This work mainly deals with coding a program able to solve the Navier-Stokes equations that governs moving fluids, in a numerical way. Particular attention was paid to the production of meshes that suit given geometries and their generation.The means used here to handle the eternal problem of the fineness of the mesh opposed to too many cells are several~:refinement, parallelization and the immersed boundary method.Initially, I designed a two and three-dimensional mesh generator that includes the possibility of dividing cells,in an automatic way, by geometrical, numerical or physical criteria. It also allows to remove cells, where there is no point keeping it. Secondly, I parallelized the program by giving him the ability to use multiple processors to calculate faster and therefore use bigger meshes.This step uses two available libraries~: \textit{Metis}, which gives a optimal mesh partition, and \textit{openMPI}, which deals with communication between nodes. Finally, the immersed boundary method has been implemented to handle non-vertical or non-horizontal edges in a cartesian grid. Its principle is to confer a hybrid status to a cell which is crossed by an edge by adding a numerical force term simulating the presence of the boundary. This development work was then tested and validated in a serie of test cases in two and three dimensions. Examples of complex meshes easily generated are given.

L'utilisation croissante de véhicules au cours des dernières décennies a causé une augmentation dans les émissions de gaz d'échappement nocifs provoquant des problèmes de santé et d'environnement. Cette problématique a conduit les gouvernements à mettre en place des limites d'émissions plus strictes. Afin de respecter ces limites, il est nécessaire de développer des systèmes de post-traitement plus performants. Parmi plusieurs solutions possibles, l'analyse et l'optimisation de l'impact de l'écoulement sur les réactions chimiques est une approche importante pour résoudre ce problème complexe. Au point de vue expérimental, il est très difficile de mesurer le champ de vitesse détaillé et la distribution de la température et de la concentration. Les simulations numériques peuvent fournir des informations supplémentaires pour comprendre l'interaction entre la distribution de l'écoulement et l'efficacité des réactions. La simulation numérique de ces systèmes est très coûteuse due aux phénomènes physiques et chimiques complexes ayant lieu simultanément dans tout le système. Afin de diminuer ce coût, on peut développer des modèles physiques et chimiques simplifiés ainsi que des techniques numériques spécifiques pour simuler le système tout en réduisant le temps de calcul. Dans cette thèse, nous développons une approche générale pour modéliser et simuler le système de post-traitement des gaz d'échappement automobile contenant les aspects physiques et chimiques. L'approche présente combine des modèles simplifiés et des techniques numériques de multi-résolutions afin de capturer correctement les caractéristiques de l'écoulement dans le système. Alors que la méthode de raffinement de maillage adaptatif (AMR) est optimisée afin de minimiser l'effort de calcul dans les régions divergente et convergente, un modèle de sous-maille est développé pour décrire l'écoulement dans les micro-canaux du substrat catalytique placé entre la région divergente et la région convergente. La performance du modèle est validée par rapport aux résultats expérimentaux obtenus par Benjamin et al. (2002). Le couplage effectif de méthode AMR et le modèle de sous-maille permet de capturer les caractéristiques de l'écoulement dans le système avec un temps de calcul réduit de manière significative. L'impact de l'écoulement pulsé et de l'écoulement en expansion sur le taux de réaction dans un canal de monolithe est étudié numériquement. La méthode AMR est montrée pour capturer les couches mince de diffusion près de la paroi à l'interface solide-liquide. Sur la base des résultats numériques, nous proposons un modèle simplifié de transport capturant les effets de l'écoulement, la diffusion et la réaction catalytiques à la paroi. Le modèle simplifié de transport peut être directement appliqué dans la forme de modèle de sous-maille pour la description complète de tous les processus physiques et chimiques ayant lieu à l'intérieur du système. Grâce aux approches de modélisation numériques physiques et chimiques développées, il est possible de simuler le système en trois dimensions avec un temps de calcul raisonnable capturant encore la physique principale du problème. / The increasing use of passenger vehicles over the past decades has caused an increase in harmful exhaust gas emissions which give rise to environmental and health problems. This problematic has led governments to establish very stringent emission limits. The emission restrictions require more performing after-treatment systems. Among many other solutions, analysing and optimising the flow impact on the conversion efficiency is an important step towards the solution of the complex engineering problem. Detailed velocity, temperature and concentration distributions are very difficult to measure experimentally. Numerical simulations can provide additional information to understand the interaction of flow distribution and conversion efficiency. The simulation of these systems is computationally very expensive due to complex physical and chemical phenomena occurring simultaneously throughout the system. To overcome this cost, one can resort to some simplified physical and chemical models together with specific numerical techniques to simulate the system with a reduced computational time. In this dissertation, we develop a general approach to model and simulate the automotive catalytic converter system including all the physical and chemical processes. The present approach combines sub-grid models and numerical multi-resolution techniques in order to correctly capture the flow characteristics inside an automotive catalytic converter. While Adaptive Mesh Refinement (AMR) techniques are optimized in order to minimise the computational effort in the divergent and convergent regions, a sub-grid model is developed to describe the flow inside the catalytic substrate placed between the convergent and divergent regions. The performance of the sub-grid model is validated against the experimental results obtained by Benjamin et al. (2002). The effective coupling of AMR techniques and the sub-grid model allows to capture the flow features with significantly reduced computational time. The impact of pulsating and expansion flow on the conversion efficiency within a single monolith channel is investigated numerically. AMR techniques are shown to capture the small boundary layers near the wall at the solid-fluid interface. Based on the numerical results, we propose a simplified transport model that captures the effects of flow, diffusion and catalytic wall reactions. The simplified transport model can be directly applied as a sub-grid model for the complete description of all the physical and chemical processes taking place inside the system. The developed physical, chemical and numerical modelling approaches make the three-dimensional simulations possible with a reasonable computational time still capturing the main physics of the problem.

Cette thèse s'intéresse à la conception et à l'analyse de méthodes de discrétisation hybrides pour les inégalités variationnelles non linéaires apparaissant en mécanique des fluides et des solides. Les principaux avantages de ces méthodes sont la conservation locale au niveau des mailles, la robustesse par rapport à différents régimes de paramètres et la possibilité d’utiliser des maillages polygonaux / polyédriques avec des nœuds non coïncidants, ce qui est très intéressant dans le contexte de l’adaptation de maillage. Les méthodes de discrétisation hybrides sont basées sur des inconnues discrètes attachées aux faces du maillage. Des inconnues discrètes attachées aux mailles sont également utilisées, mais elles peuvent être éliminées localement par condensation statique. Deux applications principales des discrétisations hybrides sont abordées dans cette thèse. La première est le traitement par la méthode de Nitsche du problème de contact de Signorini (dans le cas scalaire) avec une non-linéarité dans les conditions aux limites. Nous prouvons des estimations d'erreur optimales conduisant à des taux de convergence d'erreur d'énergie d'ordre (k + 1), si des polynômes de face de degré k >= 0 sont utilisés. La deuxième application principale concerne les fluides à seuil viscoplastiques. Nous concevons une méthode de Lagrangien augmenté discrète appliquée à la discrétisation hybride. Nous exploitons la capacité des méthodes hybrides d’utiliser des maillages polygonaux avec des nœuds non coïncidants afin d'effectuer l’adaptation de maillage local et mieux capturer la surface limite. La précision et la performance des schémas sont évaluées sur des cas tests bidimensionnels, y compris par des comparaisons avec la littérature / This thesis is concerned with the devising and the analysis of hybrid discretization methods for nonlinear variational inequalities arising in computational mechanics. Salient advantages of such methods are local conservation at the cell level, robustness in different regimes and the possibility to use polygonal/polyhedral meshes with hanging nodes, which is very attractive in the context of mesh adaptation. Hybrid discretizations methods are based on discrete unknowns attached to the mesh faces. Discrete unknowns attached to the mesh cells are also used, but they can be eliminated locally by static condensation. Two main applications of hybrid discretizations methods are addressed in this thesis. The first one is the treatment using Nitsche's method of Signorini's contact problem (in the scalar-valued case) with a nonlinearity in the boundary conditions. We prove optimal error estimates leading to energy-error convergence rates of order (k+1) if face polynomials of degree k >= 0 are used. The second main application is on viscoplastic yield flows. We devise a discrete augmented Lagrangian method applied to the present hybrid discretization. We exploit the capability of hybrid methods to use polygonal meshes with hanging nodes to perform local mesh adaptation and better capture the yield surface. The accuracy and performance of the present schemes is assessed on bi-dimensional test cases including comparisons with the literature

Cette thèse porte sur la simulation de la propagation et diffraction d'ondes dans un milieu élastique anisotrope hétérogène fissuré à l'aide de méthodes numériques explicites. L'objectif est de développer une méthode numérique performante capable de prendre en compte les détails géométriques ou singularités de la solution de manière précise. Les deux premières parties sont consacrées à des méthodes de raffinement de maillage spatio-temporel. Adapter le pas de temps localement au pas d'espace permet en même temps de diminuer la dispersion numérique dans la grille grossière et de gagner en temps de calcul. Les méthodes proposées sont conservatives, ce qui garantit la stabilité des schémas numériques. La géométrie des fissures est prise en compte par la méthode des domaines fictifs. La troisième partie présente un nouvel élément fini qui garantit la convergence de cette méthode. La dernière partie décrit le couplage entre les techniques de raffinement et la méthode de domaines fictifs.

Cette thèse porte sur la résolution théorique et numérique des équations de Maxwell dans le domaine temporel ou fréquentiel. Dans une première partie, on démontre l'existence et l'unicité mathématique de la solution du problème d'évolution. On s'intéresse également au comportement asymptotique en temps de cette solution lorsque le second membre des équations est sinusoïdal en temps. L'approche utilisée fait appel à la théorie des systèmes hyperboliques linéaires du premier ordre, au théorème de Hille-Yosida, aux principes d'amplitude-limite et d'absorption-limite, ainsi qu'à des théorèmes de traces (dans le cas du problème aux limites). Dans un second temps, on développe une approximation par éléments finis discontinus du problème fréquentiel, basée sur une décomposition de la matrice des flux en partie positive et négative (méthode de flux-splitting). Cette approche autorise l'utilisation de maillages totalement déstructurés. Une étude d'erreur lorsque le pas h du maillage tend vers zéro est proposée. Un algorithme itératif de résolution du problème discret, basé sur une décomposition de domaine sans recouvrement, est ensuite décrit. On démontre sa convergence vers l'unique solution discrète. L'implémentation sur un ordinateur à architecture massivement parallèle (IPSC 860) a été réalisée. Enfin, on construit une équation intégrale adaptée à la méthode, pour la résolution des problèmes en domaine non borné. Des expériences numériques sont décrites dans le cas d'éléments finis de type P0 (approximation constante par élément).

Les modèles emboîtés sont largement utilisés en météorologie et en océanographie. Ils permettent un accroissement local de la résolution, dans les zones où cela semble nécessaire, via l'intégration d'un même modèle sur une hiérarchie de grilles. Dans le cas d'interaction one-way, les conditions aux frontières pour la grille fine proviennent d'une interpolation de la solution obtenue sur la grille à plus faible résolution. Dans le cas d'interaction two-way, une rétroaction de la grille fine vers la grille grossière est ajoutée. Toutefois, le problème de l'assimilation variationnelle de données dans de tels systèmes n'a pas, ou peu, été étudié à ce jour. Ces classes de méthodes, notamment l'algorithme 4D-Var, permettent d'améliorer la solution d'un modèle, jusqu'ici mono-grille, en minimisant une fonctionnelle mesurant l'écart de ce modèle aux observations présentes sur une fenêtre temporelle. Le travail présenté ici vise donc à formuler un algorithme d'assimilation 4D-Var localement multi-grille. Pour le cas général d'une grille haute résolution emboîtée localement dans une autre à plus faible résolution, nous posons les équations du système adjoint dans les deux cas d'interactions one-way et two-way. Nous montrons ainsi que la formulation adjointe fait naturellement apparaître de nouvelles interactions entre les grilles, dans le sens opposé de celles existant dans la formulation directe. De plus, nous proposons différentes variantes à ces algorithmes, réalisant un couplage faible entre les solutions des différents modèles via l'ajout d'un terme de contrôle au niveau des transferts inter-grilles. Nous présentons également l'application d'une méthode multi-grille, le Full Approximation Scheme, à l'assimilation variationnelle de données. Cette approche permet d'obtenir un algorithme d'assimilation multi-grille potentiellement très efficace. Enfin, ces méthodes sont testées sur le cas d'un modèle Saint Venant 2D. Nous constatons une réduction importante des erreurs des solutions multi-grilles, ainsi qu'une accélération de la convergence de ces algorithmes.

Cette thèse porte sur la simulation de la propagation et diffraction d'ondes dans un milieu élastique anisotrope hétérogène fissuré à l'aide de méthodes numériques explicites. L'objectif est de développer une méthode numérique performante capable de prendre en compte les détails géométriques ou singularités de la solution de manière précise. Les deux premières parties sont consacrées à des méthodes de raffinement de maillage spatio-temporel. Adapter le pas de temps localement au pas d'espace permet en même temps de diminuer la dispersion numérique dans la grille grossière et de gagner en temps de calcul. Les méthodes proposées sont conservatives, ce qui garantit la stabilité des schémas numériques. La géométrie des fissures est prise en compte par la méthode des domaines fictifs. La troisième partie présente un nouvel élément fini qui garantit la convergence de cette méthode. La dernière partie décrit le couplage entre les techniques de raffinement et la méthode de domaines fictifs.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution des équations SPN du transport de neutrons au sein des cœurs de réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Ces équations forment un problème aux valeurs propres généralisé. Dans notre étude nous commençons par le problème source associé et ensuite nous étudions le problème aux valeurs propres. Un cœur de réacteur est composé de différents milieux: le combustible, le fluide caloporteur, le modérateur... à cause de ces hétérogénéités de la géométrie, le flux solution du problème source peut être peu régulier. Nous proposons l’analyse numérique de l’approximation de la solution par la méthode des éléments finis du problème source dans le cas où la solution est peu régulière. Pour le problème aux valeurs propres, dans le cas mixte, les théories déjà développées ne s’appliquent pas. Nous proposons ici une nouvelle méthode pour étudier la convergence de la méthode des éléments finis mixtes pour les problèmes aux valeurs propres. Pour les solutions peu régulières, la montée en ordre de la méthode des éléments finis n’améliore pas l’approximation du problème, il faut raffiner le maillage aux alentours des singularités de la solution. La géométrie des cœurs de réacteur se prête bien aux maillages cartésiens, mais leur raffinement augmente vite leur nombre de degrés de liberté. Pour palier à cette augmentation, nous proposons ici une méthode de décomposition de domaine qui permet d’utiliser des maillages globalement non-conformes. / In this thesis, we investigate the resolution of the SPN neutron transport equations in pressurized water nuclear reactor. These equations are a generalized eigenvalue problem. In our study, we first considerate the associated source problem and after we concentrate on the eigenvalue problem. A nuclear reactor core is composed of different media: the fuel, the coolant, the neutron moderator... Due to these heterogeneities of the geometry, the solution flux can have a low-regularity. We propose the numerical analysis of its approximation with finite element method for the low regular case. For the eigenvalue problem under its mixed form, we can not rely on the theories already developed. We propose here a new method for studying the convergence of the SPN neutron transport eigenvalue problem approximation with mixed finite element. When the solution has low-regularity, increasing the order of the method does not improve the approximation, the triangulation need to be refined near the singularities of the solution. Nuclear reactor cores are well-suited for Cartesian grids, but the refinement of these sort of triangulations increases rapidly their number of degrees of freedom. To avoid this drawback, we propose domain decomposition method which can handle globally non-conforming triangulations.