On s'intéresse dans cette thèse à l'étude des systèmes hyperboliques de lois de conservation non-linéaires avec termes sources. D'un point de vue théorique, on commence par étudier le problème de Riemann généralisé. Ensuite, on montre qu'une condition suffisante de convergence des approximations visqueuses pour une loi scalaire non-homogène est d'assurer une estimation uniforme en amplitude. Le problème est plus délicat pour un système. L'étude des discrétisations implicites d'une loi scalaire générale montre qu'il existe des conditions de type CFL pour garantir l'invisibilité du schéma et prévenir l'apparition d'oscillations parasites dans la solution numérique. On introduit ensuite un schéma "well-balanced" au sens de Greenberg et Leroux convergeant vers la solution entropique dans le cas scalaire. L'extension aux systèmes généraux se fait par le biais d'une reformulation des termes sources en produits non-conservatifs. On calcule alors une linéarisée de type Roe pour les équations d'Euler non-homogènes. Par souci de robustesse, on dérive aussi un schéma de type "décomposition de flux" non-conservatif permettant d'approcher des systèmes variés et consistant avec les limites relaxées. Des tests sont aussi effectués en régime résonant et pour des problèmes diphasiques simplifiés bidimensionnels.

Nous étudions dans cette thèse, une loi de conservation scalaire hyperbolique d'ordre un avec terme source stochastique et flux non-linéaire. Le terme source stochastique peut être considéré comme la superposition d'une infinité de bruits Gaussiens dépendants de la quantité conservée. Nous donnons une définition de solution de cette équation aux dérivées partielles stochastiques (EDPS) d'un point de vue intermédiaire entre celui de l'analyste (solution non régulière en espace, introduction d'une variable supplémentaire dite cinétique) et celui du probabiliste (solution processus stochastique continu à droite limité à gauche en temps). L'unicité de la solution est prouvée grâce à un dédoublement des variables à la Kruzkov. Nous étudions la stabilité de la loi de conservation pour donner un théorème général donnant les conditions d'existence d'une solution et les conditions de convergence d'une suite de solutions approchées vers la solution de la loi de conservation. Cette étude se fait grâce à des outils probabilistes : représentation des martingales sous forme d'intégrales stochastiques, existence d'un espace probabilisé sur lequel la convergence de lois de probabilités est équivalente à la convergence presque sûre de variables aléatoires. Pour finir l'étude, nous prouvons l'existence d'une solution grâce aux propriétés de l'approximation de l'EDPS par un schéma numérique des Volumes Finis explicite en temps, puis la convergence de cette approximation vers la solution de l'EDPS. Les outils utilisés sont ceux de l'analyse, spécifiquement ceux de la méthode des Volumes Finis en déterministe, auxquels il faut ajouter ceux du calcul stochastique (outils probabilistes).

Substantial effort has been drawn for years onto the development of (possibly high-order) numerical techniques for the scalar homogeneous conservation law, an equation which is strongly dissipative in L1 thanks to shock wave formation. Such a dissipation property is generally lost when considering hyperbolic systems of conservation laws, or simply inhomogeneous scalar balance laws involving accretive or space-dependent source terms, because of complex wave interactions. An overall weaker dissipation can reveal intrinsic numerical weaknesses through specific nonlinear mechanisms: Hugoniot curves being deformed by local averaging steps in Godunov-type schemes, low-order errors propagating along expanding characteristics after having hit a discontinuity, exponential amplification of truncation errors in the presence of accretive source terms... This book aims at presenting rigorous derivations of different, sometimes called well-balanced, numerical schemes which succeed in reconciling high accuracy with a stronger robustness even in the aforementioned accretive contexts. It is divided into two parts: one dealing with hyperbolic systems of balance laws, such as arising from quasi-one dimensional nozzle flow computations, multiphase WKB approximation of linear Schrödinger equations, or gravitational Navier-Stokes systems. Stability results for viscosity solutions of onedimensional balance laws are sketched. The other being entirely devoted to the treatment of weakly nonlinear kinetic equations in the discrete ordinate approximation, such as the ones of radiative transfer, chemotaxis dynamics, semiconductor conduction, spray dynamics or linearized Boltzmann models. “Caseology” is one of the main techniques used in these derivations. Lagrangian techniques for filtration equations are evoked too. Two-dimensional methods are studied in the context of non-degenerate semiconductor models.

Dans ce travail, on s’intéresse à plusieurs aspects de l’approximation numérique des systèmes hyperboliques de lois de conservation. La première partie est dédiée à la construction de schémas dordre élevé sur des maillages 2D non structurés. On développe une nouvelle technique de reconstruction de gradients basée sur l’écriture de deux schémas MUSCL sur deux maillages imbriqués. Cette procédure augmente le nombre d’inconnues numériques, mais permet d’approcher la solution avec une grande précision. Dans la deuxième partie, on étudie la stabilité des schémas d’ordre élevé. On montre dans un premier temps que les inégalités d’entropie discrètes usuelles vérifiées par les schémas d’ordre élevé ne sont pas pertinentes pour assurer le bon comportement dans le régime de convergence. On propose alors une extension des techniques de limitation a posteriori pour forcer la vérification des inégalités d’entropie discrètes requises. Dans la dernière partie, on s’intéresse à la construction de schémas well-balanced pour le modèle de Saint- Venant, le modèle de Ripa et les équations d’Euler avec gravité. On propose plusieurs stratégies permettant d’obtenir des schémas numériques capables de préserver tous les régimes stationnaires au repos. On développe également des extensions d’ordre élevé.

CETTE THESE COMPORTE TROIS PARTIES INDEPENDANTES. DANS LA PREMIERE PARTIE ON S'INTERESSE A L'APPROXIMATION NUMERIQUE DE LA SOLUTION ENTROPIQUE D'UNE LOI DE CONSERVATION. ON PROPOSE L'ETUDE D'UNE NOUVELLE CLASSE DE SCHEMAS NUMERIQUES PROVENANT DES METHODES D'APPROXIMATION DES EQUATIONS D'HAMILTON-JACOBI-BELLMAN. ON OBTIENT AINSI UNE CLASSE DE SCHEMAS NUMERIQUES QUI SONT NON-CONSERVATIFS, MAIS POUR LEQUELS ON ETABLIT UN THEOREME GENERAL DE CONVERGENCE VERS LA SOLUTION ENTROPIQUE. DANS LA DEUXIEME PARTIE ON ETUDIE LA SOLUTION MULTIVOQUE D'UNE LOI DE CONSERVATION. GRACE A LA METHODE DES CARACTERISTIQUES, CETTE ETUDE EST EQUIVALENTE A L'ETUDE D'UNE EQUATION DE TRANSPORT LIBRE QUE L'ON CHERCHE A RESOUDRE EN RESOLVANT UN SYSTEME FERME D'EQUATIONS DES MOMENTS ASSOCIES. C'EST AINSI QU'ON EST CONDUIT NATURELLEMENT, D'UNE PART A LA CONSTRUCTION D'UN MODELE CINETIQUE PAR UN PRINCIPE DE MINIMISATION D'ENTROPIE ET, D'AUTRE PART A LA NOTION DE SOLUTIONS ENTROPIQUES A AU PLUS K BRANCHES COMME SOLUTIONS DU MODELE CINETIQUE. UN DES RESULTATS QUE NOUS OBTENONS EST L'EXISTENCE DE CES SOLUTIONS. DANS LA TROISIEME PARTIE NOUS ETUDIONS UN ALGORITHME RAPIDE POUR LE CALCUL DE LA TRANSFORMEE DE LEGENDRE-FENCHEL DISCRETE D'UNE FONCTION REELLE. NOUS MONTRONS QUE L'ALGORITHME CONVERGE ET QUE L'ORDRE DE CONVERGENCE CROIT AVEC LA REGULARITE DE LA FONCTION TRANSFORMEE. NOUS PRESENTONS DES APPLICATIONS DE CET ALGORITHME AUX EQUATIONS D'HAMILTON-JACOBI POUR LES PROBLEMES DE PROPAGATION DE FLAMME ET AUX LOIS DE CONSERVATION

ETUDE NUMERIQUE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES DE FLUIDES PARFAITS COMPRESSIBLES EN PRESENCE D'ONDES DE CHOC. APPROXIMATION NUMERIQUE DES SOLUTIONS FAIBLES DES SYSTEMES HYPERBOLIQUES DE LOIS DE CONSERVATION A UNE OU DEUX VARIABLES D'ESPACE PLUS LE TEMPS, A L'AIDE DE SCHEMAS AUX DIFFERENCES FINIES PRECIS AU SECOND ORDRE, PERMETTANT DE CALCULER LES ONDES DE DISCONTINUITE SANS TRAITEMENT PARTICULIER