In this thesis, we study homogenization of optimal control problems in various oscillatory domains. Specifically, we consider four types of domains given in Figure 1 below. Figure 1: Oscillating Domains The thesis is organized into six chapters. Chapter 1 provides an introduction to our work and the rest of the thesis. The main contributions of the thesis are contained in Chapters 2-5. Chapter 6 presents the conclusions of the thesis and possible further directions. A brief description of our work (Chapters 2-5) follows: Chapter 2: Asymptotic behaviour of a fourth order boundary optimal control problem with Dirichlet boundary data posed on an oscillating domain as in Figure 1(A) is analyzed. We use the unfolding operator to study the asymptotic behavior of this problem. Chapter 3: Homogenization of a time dependent interior optimal control problem on a branched structure domain as in Figure 1(B) is studied. Here we pose control on the oscillating interior part of the domain. The analysis is carried out by appropriately defined unfolding operators suitable for this domain. The optimal control is characterized using various unfolding operators defined at each branch of every level. Chapter 4: A new unfolding operator is developed for a general oscillating domain as in Figure 1(C). Homogenization of a non-linear elliptic problem is studied using this new un-folding operator. Using this idea, homogenization of an optimal control problem on a circular oscillating domain as in Figure 1(D) is analyzed. Chapter 5: Homogenization of a non-linear optimal control problem posed on a smooth oscillating domain as in Figure 1(C) is studied using the unfolding operator.

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Dans cette thèse, nous présentons des résultats d’homogénéisation périodique d’un problème spectral et de l’équation d’ondes de Bloch. Il permet de modéliser les ondes à basse et haute fréquences. La partie modèle à basse fréquence est bien connu et n’est pas donc abordée dans ce travail. A contrario ; la partie à haute fréquence du modèle, qui représente des oscillations aux échelles microscopiques et macroscopiques, est un problème laissé ouvert. En particulier, les conditions aux limites de l’équation macroscopique à hautes fréquences établies dans [36] n’étaient pas connues avant le début de la thèse. Ce dernier travail apporte trois contributions principales. Les deux premières contributions, portent sur le comportement asymptotique du problème d’homogénéisation périodique du problème spectral et de l’équation des ondes en une dimension. La troisième contribution consiste en une extension du modèle du problème spectral posé dans une bande bi dimensionnelle et bornée. Le résultat d’homogénéisation comprend des effets de couche limite qui se produisent dans les conditions aux limites de l’équation macroscopique à haute fréquence. / In this dissertation, we present the periodic homogenization of a spectral problem and the waveequation with periodic rapidly varying coefficients in a bounded domain. The asymptotic behavioris addressed based on a method of Bloch wave homogenization. It allows modeling both the lowand high frequency waves. The low frequency part is well-known and it is not a new point here.In the opposite, the high frequency part of the model, which represents oscillations occurringat the microscopic and macroscopic scales, was not well understood. Especially, the boundaryconditions of the high-frequency macroscopic equation established in [36] were not known prior to thecommencement of thesis. The latter brings three main contributions. The first two contributions, areabout the asymptotic behavior of the periodic homogenization of the spectral problem and waveequation in one-dimension. The third contribution consists in an extension of the model for thespectral problem to a thin two-dimensional bounded strip Ω = (0; _) _ (0; ") _ R2. The homogenizationresult includes boundary layer effects occurring in the boundary conditions of the high-frequencymacroscopic equation.

Certaines applications industrielles nécessitent des niveaux d’étanchéité exceptionnels pour permettre la réalisation d’un vide poussé ou pour répondre à des enjeux de sécurité radiologique par exemple. Ces niveaux de haute étanchéité statique sur des assemblages démontables sont obtenus à l’aide de joints entièrement métalliques. La fuite résultante de l’assemblage n’est due qu’à la persistance d’un champ des ouvertures à l’interface entre le joint d’étanchéité et la bride d’assemblage, conséquence d’un contact imparfait entre les deux surfaces rugueuses. Le champ des ouvertures à l’interface de contact est assimilable à une fracture rugueuse hétérogène, de nature multi-échelle, et peut en principe être obtenu par un calcul de déformations mécaniques préalable. Dans ce travail, on s’intéressera plus particulièrement à l’écoulement gazeux raréfié dans le régime glissant au sein de cette fracture. Pour les régimes modérément raréfiés,l’écoulement est modélisé par l’équation de Reynolds faiblement compressible avec correction de glissement de premier ordre aux parois que l’on développe. On effectue ensuite un changement d’échelle par la méthode de la prise de moyenne volumique, permettant d’établir un modèle macroscopique d’écoulement à l’échelle d’un élément représentatif, où le débit massique est relié au gradient de pression via le tenseur de transmissivité. Celui-ci, caractéristique de l’élément représentatif de fracture, est calculé par résolution d’un problème de fermeture et est dépendant de la microstructure ainsi que du libre parcours moyen représentatif sur l’élément. Pour remonter à l’écoulement dans l’ensemble de la fracture, hétérogène à cette échelle, celle-ci est subdiviséeen pavés sur chacun desquels est calculé un tenseur de transmissivité local par la méthode sus-citée. Ensuite, l’écoulement dans ce champ de tenseurs est résolu par une méthode des éléments finis de frontière, donnant la transmissivité apparente glissante du joint dans son ensemble. Cette approche à deux échelles, vue comme outil d’aide à la conception, permet une réduction de la complexité de calcul par rapport à une simulation directe, rendant possible une analyse plus efficace du comportement d’un système d’étanchéité. Pour valider l’utilisation du modèle de glissement d’un point de vue macroscopique et s’affranchir des incertitudes sur le calcul de déformation mécanique, des puces nanofluidiques de type réseau hétérogène de canaux droits sont fabriquées par photolithographie par niveaux de gris. Des essais expérimentaux de mesure de fuite sont réalisés sur ces géométries modèles, représentant des joints idéalisés. Ces essais sont effectués en appliquant une forte différence de pression d’hélium par utilisation d’un spectromètre de masse mesurant la fuite, produisant une condition de vide en sortie de puce.Selon les puces, les régimes de raréfaction atteints vont alors du régime glissant au régime moléculaire. Le débit de fuite mesuré est alors supérieur à celui prédit par le modèle de premier ordre, l’écart restant inférieur à un ordre de grandeur quel que soit le régime / Some industrial applications require exceptional sealing levels to maintain ultra-high vacuumconditions or for radiological safety concerns for example. Such high performance static sealingconditions on mechanical assemblies are reached using entirely metallic gaskets. The resultingleak-rate is only due to the persistence of an aperture field at the seal-flange interface,consequence of a non-ideal contact between the two rough surfaces. This aperture field can beviewed as a rough and heterogeneous fracture, of multi-scale nature, and can be obtained by aprior contact mechanics computation. In this work, we are interested on the rarefied flow of a gasin this fracture, drawing our attention to the slip regime. For such moderately rarefied regime, theflow is described by the slightly compressible Reynolds equation with a first-order slip-flowcorrection at the walls, which we develop. Using the method of volume averaging, an upscalingprocedure is performed to derive the macroscopic flow model at the scale of a representativeelement, and where the mass flow rate is related to the pressure gradient by the transmissivitytensor. This latter is characteristic of the representative fracture element and is obtained by solvingan auxiliary closure problem which depends on the micro-structure as well as the representativemean free path on the element. To compute the flow in the whole fracture, heterogeneous at thisscale, it is subdivided in tiles on which a transmissivity tensor is locally computed by theaforementioned method. Then, the flow problem in this tensor field is solved using a boundaryelement method, leading to the apparent slip-corrected transmissivity of the entire aperture field.This two-scale approach is a conception tool which reduces the overall complexity with respect toa direct numerical simulation, allowing a more efficient analysis of the behavior of a sealingassembly. To validate the use of slip models at the macroscopic level and to eliminate theuncertainties of the contact mechanics computation, nanofluidic chips composed ofheterogeneous network of straight channels are fabricated using a grayscale photolithographytechnique. Experimental measurements of the leak-rate are performed on these idealizedgeometries that mimic a seal assembly. They are realized by applying a strong helium pressuredifference on the chip using a mass spectrometer to measure the leak, which produces a nearvacuum condition at the outlet. Depending of the chip, the rarefaction regime ranges from slip tofree-molecular. The measured leak-rate is greater than predicted by the first order model, thoughbeing of the same order of magnitude whatever the regime

L’incidence rasante est un problème spécifique, qui apparaît notamment lorsqu'une antenne est placée sur un mât (télécommunications, défense…) ou sur la côte (surveillance environnementale ou militaire de l'espace maritime). Elle rend la modélisation du problème de diffraction difficile, de par le faible niveau de rétrodiffusion et l’importance de phénomènes complexes comme la diffusion multiple. La question reste importante même si l’écho est très faible, puisqu’il est potentiellement suffisant pour perturber le bon fonctionnement de systèmes antennaires microondes sur un navire. Il porte de plus des informations intéressantes sur l’état de la mer, comme cela a été démontré aux bandes HF et VHF. Un modèle rigoureux de diffraction tridimensionnelle précédemment développé est étendu au calcul des quatre polarisations fondamentales (polarisations Horizontale et Verticale des ondes incidente et réfléchie). Il permet désormais de prendre en compte la conductivité finie de la surface, point crucial dans le cas d'une polarisation incidente Verticale. L’opérateur hyper-singulier impliqué dans l’équation intégrale discrétisée par la méthode des moments est étudié pour évaluer la précision des calculs numériques.Les méthodes approchées de diffraction permettent des calculs numériques beaucoup plus rapides, et sont donc en pratique incontournables. Le modèle rigoureux est donc utilisé, en conjonction avec des données expérimentales, pour servir de référence permettant d’étudier la précision, en incidence rasante et dans le cas de la surface de la mer, de ces méthodes approchées. Nous étudions en particulier la méthode à deux échelles GOSSA, et proposons une correction à son comportement aux angles rasants.Le mouvement de la surface de la mer crée un décalage de fréquence radar dans l’onde rétrodiffusée (effet Doppler), décalage mesuré expérimentalement et que l’algorithme de méthode des moments permet de simuler. Nous étudions par des simulations bidimensionnelles l’évolution du décalage Doppler micro onde avec l’incidence, et l’influence des nonlinéarités de la surface de la mer. Le comportement limite en incidence rasante est précisé, et les contributions respectives des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques discutées. / The grazing incidence is a specific problem, which appears especially when an antenna is placed on a mast (telecommunications, defence...) or on the coast (environmental or military maritime spatial monitoring). The modelization of the scattering process in such a configuration is difficult, due to low backscattering and to the importance of complex phenomena such as multiple scattering. The issue remains important even if the echo is very low, because it is potentially sufficient to disturb the proper functioning of microwave antenna systems on a ship. Moreover, it carries interesting informations about the sea state, as was demonstrated in HF and VHF bands.A rigorous model of the three-dimensional scattering process, previously developed, is extended to the computation of the scattered fiel in the four fundamental polarizations (Horizontal and Vertical polarization of incident and reflected waves). It is now possible to take into account the finite conductivity of the surface, a crucial point when the incident field is vertically polarized. The hyper- singular operator involved in the integral equation discretized by the method of moments is studied to evaluate the accuracy of numerical calculations.The approximate methods of diffraction allow much faster numerical calculations, and are therefore essential. The rigorous model is used in conjunction with experimental data, as a reference to study the accuracy of such approximate methods, in the case of the sea surface at grazing incidence. We study in particular the two-scale method GOSSA and propose a correction to its behaviour at grazing angles. The motion of the sea surface creates a frequency shift in the radar backscattered wave (Doppler effect). This offset can be measured experimentally, our algorithm allows us to simulate it. We proceed to two-dimensional simulations showing the evolution of the Doppler shift with respect to the grazing angle, and show the influence of the nonlinearities in the sea model. The limit of the mean Doppler shift at very low grazing angles is studied, and the respective contributions of electromagnetic and hydrodynamic phenomena are discussed.

A new hybrid approach to model high Reynolds number wall-bounded turbulent flows is developed based on coupling the two-level simulation (TLS) approach in the inner region with conventional large eddy simulation (LES) away from the wall. This new approach is significantly different from previous near-wall approaches for LES. In this hybrid TLS-LES approach, a very fine small-scale (SS) mesh is embedded inside the coarse LES mesh in the near-wall region. The SS equations capture fine-scale temporal and spatial variations in all three cartesian directions for all three velocity components near the wall. The TLS-LES equations are derived based on defining a new scale separation operator. The TLS-LES equations in the transition region are obtained by blending the TLS large-scale and LES equations. A new incompressible parallel flow solver is developed that accurately and reliably predicts turbulent flows using TLS-LES. The solver uses a primitive variable formulation based on an artificial compressibility approach and a dual time stepping method. The advective terms are discretized using fourth-order energy conservative finite differences. The SS equations are also integrated in parallel, which reduces the overall cost of the TLS-LES approach. The TLS-LES approach is validated and investigated for canonical channel flows, channel flow with adverse pressure gradient and asymmetric plane diffuser flow. The results suggest that the TLS-LES approach yields very reasonable predictions of most of the crucial flow features in spite of using relatively coarse grids.

This study focuses on the numerical solution of a fourth-order cell problem obtained through a two- scale expansion approach applied to a higher gradient heat equation microscopic problem involving temperature distributions. The main objective is to investigate the temperature field within the macroscale domain and compute the effective conductivity using finite element methods. The research utilizes numerical techniques, specifically finite element methods, to solve the fourth-order cell problem and obtain the temperature distribution.

The main focus of the present thesis is on the homogenization of some selected elliptic and parabolic problems. More precisely, we homogenize: non-periodic linear elliptic problems in two dimensions exhibiting a homothetic scaling property; two types of evolution-multiscale linear parabolic problems, one having two spatial and two temporal microscopic scales where the latter ones are given in terms of a two-parameter family, and one having two spatial and three temporal microscopic scales that are fixed power functions; and, finally, evolution-multiscale monotone parabolic problems with one spatial and an arbitrary number of temporal microscopic scales that are not restricted to be given in terms of power functions. In order to achieve homogenization results for these problems we study and enrich the theory of two-scale convergence and its kins. In particular the concept of very weak two-scale convergence and generalizations is developed, and we study an application of this convergence mode where it is employed to detect scales of heterogeneity. / Huvudsakligt fokus i avhandlingen ligger på homogeniseringen av vissa elliptiska och paraboliska problem. Mer precist så homogeniserar vi: ickeperiodiska linjära elliptiska problem i två dimensioner med homotetisk skalning; två typer av evolutionsmultiskaliga linjära paraboliska problem, en med två mikroskopiska skalor i både rum och tid där de senare ges i form av en tvåparameterfamilj, och en med två mikroskopiska skalor i rum och tre i tid som ges i form av fixa potensfunktioner; samt, slutligen, evolutionsmultiskaliga monotona paraboliska problem med en mikroskopisk skala i rum och ett godtyckligt antal i tid som inte är begränsade till att vara givna i form av potensfunktioner. För att kunna uppnå homogeniseringsresultat för dessa problem så studerar och utvecklar vi teorin för tvåskalekonvergens och besläktade begrepp. Speciellt så utvecklar vi begreppet mycket svag tvåskalekonvergens med generaliseringar, och vi studerar en tillämpningav denna konvergenstyp där den används för att detektera förekomsten av heterogenitetsskalor.

Ziel dieser Arbeit ist es zwei verschiedene Klassen von Systemen nichtlinearer parabolischer Gleichungen zu homogenisieren, und zwar Reaktions-Diffusions-Systeme mit verschiedenen Diffusionslängenskalen und Gleichungen vom Typ Cahn-Hilliard. Wir betrachten parabolische Gleichungen mit periodischen Koeffizienten, wobei die Periode dem Verhältnis der charakteristischen mikroskopischen zu der makroskopische Längenskala entspricht. Unser Ziel ist es, effektive Gleichungen rigoros herzuleiten, um die betrachteten Systeme besser zu verstehen und den Simulationsaufwand zu minimieren. Wir suchen also einen Konvergenzbegriff, mit dem die Lösung des Ausgangsmodells im Limes der Periode gegen Null gegen die Lösung des effektiven Modells konvergiert. Um die periodische Mikrostruktur und die verschiedenen Diffusivitäten zu erfassen, verwenden wir die Zwei-Skalen Konvergenz mittels periodischer Auffaltung. Der erste Teil der Arbeit handelt von Reaktions-Diffusions-Systemen, in denen einige Spezies mit der charakteristischen Diffusionslänge der makroskopischen Skala und andere mit der mikroskopischen diffundieren. Die verschiedenen Diffusivitäten führen zu einem Verlust der Kompaktheit, sodass wir nicht direkt den Grenzwert der nichtlinearen Terme bestimmen können. Wir beweisen mittels starker Zwei-Skalen Konvergenz, dass das effektive Modell ein zwei-skaliges Modell ist, welches von der makroskopischen und der mikroskopischen Skale abhängt. Unsere Methode erlaubt es uns, explizite Raten für die Konvergenz der Lösungen zu bestimmen. Im zweiten Teil betrachten wir Gleichungen vom Typ Cahn-Hilliard, welche ortsabhängige Mobilitätskoeffizienten und allgemeine Potentiale beinhalten. Wir beweisen evolutionäre Gamma-Konvergenz der zugehörigen Gradientensysteme basierend auf der Gamma-Konvergenz der Energien und der Dissipationspotentiale. / The aim of this thesis is to derive homogenization results for two different types of systems of nonlinear parabolic equations, namely reaction-diffusion systems involving different diffusion length scales and Cahn-Hilliard-type equations. The coefficient functions of the considered parabolic equations are periodically oscillating with a period which is proportional to the ratio between the charactersitic microscopic and macroscopic length scales. In view of greater structural insight and less computational effort, it is our aim to rigorously derive effective equations as the period tends to zero such that solutions of the original model converge to solutions of the effective model. To account for the periodic microstructure as well as for the different diffusion length scales, we employ the method of two-scale convergence via periodic unfolding. In the first part of the thesis, we consider reaction-diffusion systems, where for some species the diffusion length scale is of order of the macroscopic length scale and for other species it is of order of the microscopic one. Based on the notion of strong two-scale convergence, we prove that the effective model is a two-scale reaction-diffusion system depending on the macroscopic and the microscopic scale. Our approach supplies explicit rates for the convergence of the solution. In the second part, we consider Cahn-Hilliard-type equations with position-dependent mobilities and general potentials. It is well-known that the classical Cahn-Hilliard equation admits a gradient structure. Based on the Gamma-convergence of the energies and the dissipation potentials, we prove evolutionary Gamma-convergence, for the associated gradient system such that we obtain in the limit of vanishing periods a Cahn-Hilliard equation with homogenized coefficients.

<p>The present thesis is devoted to the homogenization of certain elliptic and parabolic partial differential equations by means of appropriate generalizations of the notion of two-scale convergence. Since homogenization is defined in terms of H-convergence, we desire to find the H-limits of sequences of periodic monotone parabolic operators with two spatial scales and an arbitrary number of temporal scales and the H-limits of sequences of two-dimensional possibly non-periodic linear elliptic operators by utilizing the theories for evolution-multiscale convergence and λ-scale convergence, respectively, which are generalizations of the classical two-scale convergence mode and custom-made to treat homogenization problems of the prescribed kinds. Concerning the multiscaled parabolic problems, we find that the result of the homogenization depends on the behavior of the temporal scale functions. The temporal scale functions considered in the thesis may, in the sense explained in the text, be slow or rapid and in resonance or not in resonance with respect to the spatial scale function. The homogenization for the possibly non-periodic elliptic problems gives the same result as for the corresponding periodic problems but with the exception that the local gradient operator is everywhere substituted by a differential operator consisting of a product of the local gradient operator and matrix describing the geometry and which depends, effectively, parametrically on the global variable.</p>