La descripción del flujo de fluidos involucra la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes compresible, un problema muy complejo cuya estructura matemática no es del todo comprendida. Por lo tanto, mediante análisis asintótico, se pueden derivar modelos simplificados bajo ciertas hipótesis sobre el problema hechas en términos de parámetros adimensionales que miden la importancia relativa de los diferentes procesos físicos. Los flujos a baja velocidad se pueden describir por diferentes modelos que incluyen las ecuaciones de Navier Stokes incompresible cuya matemática es mucho mas conocida. Sin embargo, algunos flujos importantes no se pueden considerar incompresibles debido a la presencia de efectos térmicos. En esta clase de problemas se pueden derivar otra clase de ecuaciones simplificadas: las ecuaciones de Boussinesq y las ecuaciones de bajo numero de Mach.La complejidad de estos problemas matemáticos hace que su solución numérica sea muy difícil. En estos problemas el método de los elementos finitos es inestable, lo que en la práctica implica soluciones numéricas que presentan oscilaciones nodo a nodo de naturaleza no física. En las ecuaciones de Navier Stokes incompresible, dos fuentes bien conocidas de inestabilidad son la condición de incompresibilidad y la presencia del término convectivo. Muchas técnicas de estabilización utilizadas hoy en día se basan en la separación de escalas, descomponiendo la incógnita en una parte gruesa inducida por la discretización del domino y una parte fina de subescala. Modelar la subescala y su influencia conduce a un problema modificado para la escala gruesa que resulta estable.Aunque las técnicas de estabilización son ampliamente utilizadas hoy en día, importantes problemas permanecen abiertos. Contribuyendo a su comprensión, en este trabajo se analizan varios aspectos del modelado de las subescalas. Para problemas escalares de segundo orden, se encuentra la dependencia de la subescala con el tamaño de la malla en el caso general de mallas anisótropas. Estas ideas son extendidas a sistemas de ecuaciones para considerar el problema de Oseen. También se analiza el modelado de las subescalas en problemas transitorios, obteniendo un mejor esquema de integración temporal para el problema de escala gruesa. Para considerar flujos a baja velocidad, se presenta la extensión de estas técnicas a problemas no lineales acoplados, lo que esta íntimamente relacionado con el problema del modelado de la turbulencia, que es un tema en si mismo.Los flujos acoplados térmicamente, aparte del interés intrínseco que merecen, son importantes desde un punto de vista ingenieril. Una solución precisa del problema de flujo es necesaria para definir las cargas térmicas sobre las estructuras, que en muchos casos responden fuertemente, haciendo el problema acoplado. Esta clase de problemas, que motivaron este trabajo, incluyen la respuesta estructural en el caso de un incendio. / A general description of a fluid flow involves the solution of the compressible Navier-Stokes equations, a very complex problem whose mathematical structure is not well understood. Therefore, simplified models can be derived by asymptotic analysis under some assumptions on the problem, made in terms of dimensionless parameters that measure the relative importance of different physical processes. Low speed flows can be described by several models including the incompressible Navier Stokes equations whose mathematical structure is much better understood. However many important flows cannot be considered as incompressible, even at low speed, due to the presence of thermal effects. In such kind of problems another class of simplified equations can be derived: the Boussinesq equations and the Low Mach number equations.The complexity of these mathematical problems makes their numerical solution very difficult. For these problems the standard finite element method is unstable, what in practice means that node to node oscillations of non physical nature may appear in the numerical solution. In the incompressible Navier Stokes equations, two well known sources of numerical instabilities are the incompressibility constraint and the presence of the convective terms. Many stabilization techniques used nowadays are based on scale separation, splitting the unknown into a coarse part induced by the discretization of the domain and a fine subgrid part. The modelling of the subgrid scale and its influence leads to a modified coarse scale problem that now can be shown to be stable. Although stabilization techniques are nowadays widely used, important problems remain open. Contributing to their understanding, several aspects of the subgrid scale modelling are analyzed in this work. For second order scalar problems, the dependence of the subgrid scale on the mesh size, in the general anisotropic case, is clarified. These ideas are extended to systems of equations to consider the Oseen problem. The modelling of the subgrid scales in transient problems is also analyzed, leading to an improved time discretization scheme for the coarse scale problem. To consider low speed flow models, the extension of these techniques to nonlinear and coupled problems is presented, something that is intimately related to the problem of turbulence modelling, which a entire subject on its own right. Thermally coupled flow problems, despite the intrinsic interest they deserve, are important from an engineering point of view. An accurate solution of a flow problem is needed to define thermal loads on structures which, in many cases have a strong response, making the problem coupled. This kind of problems, that motivated this work, include the problem of a structural response in the case of fires.

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We present three new stabilized finite element (FE) based Petrov-Galerkin methods for the convection-diffusionreaction (CDR), the Helmholtz and the Stokes problems, respectively. The work embarks upon a priori analysis of a consistency recovery procedure for some stabilization methods belonging to the Petrov- Galerkin framework. It was ound that the use of some standard practices (e.g. M-Matrices theory) for the design of essentially non-oscillatory numerical methods is not appropriate when consistency recovery methods are employed. Hence, with respect to convective stabilization, such recovery methods are not preferred. Next, we present the design of a high-resolution Petrov-Galerkin (HRPG) method for the CDR problem. The structure of the method in 1 D is identical to the consistent approximate upwind (CAU) Petrov-Galerkin method [doi: 10.1016/0045-7825(88)90108-9] except for the definitions of he stabilization parameters. Such a structure may also be attained via the Finite Calculus (FIC) procedure [doi: 10.1 016/S0045-7825(97)00119-9] by an appropriate definition of the characteristic length. The prefix high-resolution is used here in the sense popularized by Harten, i.e. second order accuracy for smooth/regular regimes and good shock-capturing in non-regular re9jmes. The design procedure in 1 D embarks on the problem of circumventing the Gibbs phenomenon observed in L projections. Next, we study the conditions on the stabilization parameters to ircumvent the global oscillations due to the convective term. A conjuncture of the two results is made to deal with the problem at hand that is usually plagued by Gibbs, global and dispersive oscillations in the numerical solution. A multi dimensional extension of the HRPG method using multi-linear block finite elements is also presented. Next, we propose a higher-order compact scheme (involving two parameters) on structured meshes for the Helmholtz equation. Making the parameters equal, we recover the alpha-interpolation of the Galerkin finite element method (FEM) and the classical central finite difference method. In 1 D this scheme is identical to the alpha-interpolation method [doi: 10.1 016/0771 -050X(82)90002-X] and in 2D choosing the value 0.5 for both the parameters, we recover he generalized fourth-order compact Pade approximation [doi: 10.1 006/jcph.1995.1134, doi: 10.1016/S0045- 7825(98)00023-1] (therein using the parameter V = 2). We follow [doi: 10.1 016/0045-7825(95)00890-X] for the analysis of this scheme and its performance on square meshes is compared with that of the quasi-stabilized FEM [doi: 10.1016/0045-7825(95)00890-X]. Generic expressions for the parameters are given that guarantees a dispersion accuracy of sixth-order should the parameters be distinct and fourth-order should they be equal. In the later case, an expression for the parameter is given that minimizes the maximum relative phase error in 2D. A Petrov-Galerkin ormulation that yields the aforesaid scheme on structured meshes is also presented. Convergence studies of the error in the L2 norm, the H1 semi-norm and the I ~ Euclidean norm is done and the pollution effect is found to be small. / Presentamos tres nuevos metodos estabilizados de tipo Petrov- Galerkin basado en elementos finitos (FE) para los problemas de convecci6n-difusi6n- reacci6n (CDR), de Helmholtz y de Stokes, respectivamente. El trabajo comienza con un analisis a priori de un metodo de recuperaci6n de la consistencia de algunos metodos de estabilizaci6n que pertenecen al marco de Petrov-Galerkin. Hallamos que el uso de algunas de las practicas estandar (por ejemplo, la eoria de Matriz-M) para el diserio de metodos numericos esencialmente no oscilatorios no es apropiado cuando utilizamos los metodos de recu eraci6n de la consistencia. Por 10 tanto, con res ecto a la estabilizaci6n de conveccion, no preferimos tales metodos de recuperacion . A continuacion, presentamos el diser'io de un metodo de Petrov-Galerkin de alta-resolucion (HRPG) para el problema CDR. La estructura del metodo en 10 es identico al metodo CAU [doi: 10.1016/0045-7825(88)90108-9] excepto en la definicion de los parametros de estabilizacion. Esta estructura tambien se puede obtener a traves de la formulacion del calculo finito (FIC) [doi: 10.1 016/S0045- 7825(97)00119-9] usando una definicion adecuada de la longitud caracteristica. El prefijo de "alta-resolucion" se utiliza aqui en el sentido popularizado por Harten, es decir, tener una solucion con una precision de segundo orden en los regimenes suaves y ser esencialmente no oscilatoria en los regimenes no regulares. El diser'io en 10 se embarca en el problema de eludir el fenomeno de Gibbs observado en las proyecciones de tipo L2. A continuacion, estudiamos las condiciones de los parametros de estabilizacion para evitar las oscilaciones globales debido al ermino convectivo. Combinamos los dos resultados (una conjetura) para tratar el problema COR, cuya solucion numerica sufre de oscilaciones numericas del tipo global, Gibbs y dispersiva. Tambien presentamos una extension multidimensional del metodo HRPG utilizando los elementos finitos multi-lineales. fa. continuacion, proponemos un esquema compacto de orden superior (que incluye dos parametros) en mallas estructuradas para la ecuacion de Helmholtz. Haciendo igual ambos parametros, se recupera la interpolacion lineal del metodo de elementos finitos (FEM) de tipo Galerkin y el clasico metodo de diferencias finitas centradas. En 10 este esquema es identico al metodo AIM [doi: 10.1 016/0771 -050X(82)90002-X] y en 20 eligiendo el valor de 0,5 para ambos parametros, se recupera el esquema compacto de cuarto orden de Pade generalizada en [doi: 10.1 006/jcph.1 995.1134, doi: 10.1 016/S0045-7825(98)00023-1] (con el parametro V = 2). Seguimos [doi: 10.1 016/0045-7825(95)00890-X] para el analisis de este esquema y comparamos su rendimiento en las mallas uniformes con el de "FEM cuasi-estabilizado" (QSFEM) [doi: 10.1016/0045-7825 (95) 00890-X]. Presentamos expresiones genericas de los para metros que garantiza una precision dispersiva de sexto orden si ambos parametros son distintos y de cuarto orden en caso de ser iguales. En este ultimo caso, presentamos la expresion del parametro que minimiza el error maxima de fase relativa en 20. Tambien proponemos una formulacion de tipo Petrov-Galerkin ~ue recupera los esquemas antes mencionados en mallas estructuradas. Presentamos estudios de convergencia del error en la norma de tipo L2, la semi-norma de tipo H1 y la norma Euclidiana tipo I~ y mostramos que la perdida de estabilidad del operador de Helmholtz ("pollution effect") es incluso pequer'ia para grandes numeros de onda. Por ultimo, presentamos una coleccion de metodos FE estabilizado para el problema de Stokes desarrollados a raves del metodo FIC de primer orden y de segundo orden. Mostramos que varios metodos FE de estabilizacion existentes y conocidos como el metodo de penalizacion, el metodo de Galerkin de minimos cuadrados (GLS) [doi: 10.1016/0045-7825(86)90025-3], el metodo PGP (estabilizado a traves de la proyeccion del gradiente de presion) [doi: 10.1 016/S0045-7825(96)01154-1] Y el metodo OSS (estabilizado a traves de las sub-escalas ortogonales) [doi: 10.1016/S0045-7825(00)00254-1] se recuperan del marco general de FIC. Oesarrollamos una nueva familia de metodos FE, en adelante denominado como PLS (estabilizado a traves del Laplaciano de presion) con las formas no lineales y consistentes de los parametros de estabilizacion. Una caracteristica distintiva de la familia de los metodos PLS es que son no lineales y basados en el residuo, es decir, los terminos de estabilizacion dependera de los residuos discretos del momento y/o las ecuaciones de incompresibilidad. Oiscutimos las ventajas y desventajas de estas tecnicas de estabilizaci6n y presentamos varios ejemplos de aplicacion

vi Title: Biochemical and mechanical processes in synovial fluid - modeling, mathematical analysis and computational simulations Author: Petra Pustějovská (petra.pustejovska@karlin.mff.cuni.cz) Department: Matematický ústav UK, Univerzita Karlova v Praze Institut für Angewandte Mathematik, Universität Heidelberg Supervisors: prof. RNDr. Josef Málek CSc., DSc. (malek@karlin.mff.cuni.cz) Matematický ústav UK, Univerzita Karlova v Praze, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Willi Jäger (jaeger@iwr.uni-heidelberg.de) Institut für Angewandte Mathematik, Universität Heidelberg Abstract: Synovial fluid is a polymeric liquid which generally behaves as a viscoelastic fluid due to the presence of polysaccharide molecules called hyaluronan. In this thesis, we study the biological and biochemical properties of synovial fluid, its complex rheology and interaction with synovial membrane during filtration process. From the mathematical point of view, we model the synovial fluid as a viscous incompressible fluid for which we develop a novel generalized power-law fluid model wherein the power-law exponent depends on the concentration of the hyaluronan. Such a model is adequate to describe the flows of synovial fluid as long as it is not subjected to instantaneous stimuli. Moreover, we try to find a suitable linear viscoelastic model...