La modélisation du transport réactif du contaminant en milieu poreux est un problème complexe cumulant les difficultés de la modélisation du transport avec celles de la modélisation de la chimie et surtout du couplage entre les deux. Cette modélisation conduit à un système d'équations aux dérivées partielles et algébriques dont les inconnues sont les quantités d'espèces chimiques. Une approche possible, déjà utilisée par ailleurs, est de choisir la méthode globale DAE : l'utilisation d'une méthode de lignes, correspondant à la discrétisation en espace seulement, conduit à un système différentiel algébrique (DAE) qui doit être résolu par un solveur adapté. Dans notre cas, on utilise le solveur IDA de Sundials qui s'appuie sur une méthode implicite, à ordre et pas variables, et qui requiert à chaque pas de temps la résolution d'un grand système non linéaire associé à une matrice jacobienne. Cette méthode est implémentée dans un logiciel qui s'appelle GRT3D (Transport Réactif Global en 3D). Le présent travail présente une amélioration de la méthode GDAE, du point de vue de la performance, de la stabilité et de la robustesse. Nous avons ainsi enrichi les possibilités de GRT3D, par la prise en compte complète des équations de précipitation-dissolution permettant l'apparition ou la disparition d'une espèce précipitée. En complément de l'étude de la méthode GDAE, nous présentons aussi une méthode séquentielle non itérative (SNIA), qui est une méthode basée sur le schéma d'Euler explicite : à chaque pas de temps, on résout explicitement l'équation de transport et on utilise ces calculs comme données pour le système chimique, résolu dans chaque maille de façon indépendante. Nous présentons aussi une comparaison entre cette méthode et l'approche GDAE. Des résultats numériques pour deux cas tests, celui proposé par l'ANDRA (cas-test 2D) d'une part, celui proposé par le groupe MoMas (Benchmark "easy case") d'autre part, sont enfin présentés, commentés et analysés.

Cette thèse est consacrée à la résolution numérique de l’équation du Transport sous contraintes, c’est-à-dire à l’invariance d’un sous ensemble C par l’opérateur du Transport. Un cas particulier (un problème d’obstacle) où le sous ensemble des contraintes C est un convexe est traité au chapitre I. Un résultat d’existence et d’unicité est obtenu dans l’espace de Hilbert, construit avec la norme du graphe de l’opérateur du Transport, en utilisant la monotonie de l’opérateur et une méthode de pénalisation. Pour traiter le cas plus difficile ou l’ensemble des contraintes C n’est plus convexe, nous utilisons un théorème de viabilité ou d’invariance de l’ensemble C. Pour cela, nous introduisons une méthode des caractéristiques temps-espace sous forme autonome au chapitre II. Nous donnons un théorème de remplissage de l’ouvert, sur lequel nous considérons l’équation du Transport, par les courbes caractéristiques et cela pour un champ de vitesse dépendant du temps. Ce résultat permet de transformer l’équation du Transport en un ensemble d’équations différentielles ordinaires. L’utilisation de la condition de "tangence" du second membre impliquant l’invariance de l’ensemble des contraintes donnée dans le théorème de Nagumo par exemple, demande de caractériser le cône contingent à l’ensemble des contraintes qui ici n’est plus réduit à C puisque nous nous plaçons aussi sur les courbes caractéristiques. C’est l’objet du chapitre III. Nous introduisons une notion simple de contingence extérieure pour les images réciproques de convexes. Nous introduisons alors pour un champ continu une notion globale de contingence à l’image réciproque d’un convexe. Ces résultats sont essentiels pour la construction de méthodes numériques au chapitre V. Au chapitre IV, nous rappelons tout d’abord le théorème de Nagumo, puis nous l’appliquons pour l’équation du Transport. Nous donnons trois conditions suffisantes qui assurent l’invariance d’un ensemble de contraintes C qui est l’image réciproque d’un convexe par une application régulière. Une des trois conditions est une condition de transversalité. Ensuite, nous nous intéressons au cas où le second membre de l’équation du Transport ne satisfait pas ces conditions (l’ensemble des contraintes C n’est pas invariant). En utilisant la distance orientée à un ensemble, nous proposons une méthode permettant de modifier le second membre afin d’obtenir l’invariance de C par l’opérateur du Transport. Le dernier chapitre est consacré aux méthodes numériques pour calculer les solutions de l’équation du Transport laissant invariant C. Sous des hypothèses de régularité ou de monotonie, nous montrons la convergence des algorithmes que nous proposons. Enfin sur quelques exemples, nous montrons que la méthode de différences finies que nous avons mis en oeuvre est d’ordre un.

Résolution numérique d'une équation diffusion-transport modélisant le déplacement d'un fluide par un autre dans un milieu poreux. Approximation par une méthode d'éléments finis espace-temps. Résultats numériques. Etude du cas linéaire. Conditions de stabilité. Etude numérique d'un problème d'homogénéisation non périodique

On s'intéresse dans cette th`ese `a l'étude de méthodes numériques pour les syst`emes de réaction-diffusion. Tout d'abord, on étudie le schéma par régularisation du résidu et ses extrapolations ; ce schéma introduit un préconditionneur en espace lors de la discrétisation en temps. On prouve la stabilité en norme usuelle et la convergence en norme d'énergie de cette méthode et on l'applique au préconditionnement de méthodes spectrales par des méthodes d'éléments finis. Cette application nécessite le calcul d'asymptotiques précises des polyn˜omes de Legendre et de leurs extrema. On prouve aussi la convergence et l'ordre deux d'une méthode de splitting semi-discrétisée en temps pour les syst`emes de réaction-diffusion, l'approximation de Peaceman-Rachford. Enfin, on applique ces méthodes `a la simulation d'une équation parabolique non linéaire pour modéliser la croissance de grains et `a une équation parabolique non locale venant de la mécanique statistique et modélisant les syst`emes autogravitants de fermions.

Les méthodes de Monte-Carlo sont souvent utilisées pour la résolution des problèmes de neutroniques. La grande dimension du problème et la complexité des géométries réelles rendent, en effet, les méthodes numériques traditionnelles difficiles à implémenter. Ces méthodes sont relativement faciles à mettre en œuvre mais ont le défaut de converger lentement, la précision du calcul étant en 1/racine carré n où n est le nombre de simulations. Des nombreuses études ont été menées en vue d'accélérer la convergence de ce type d'algorithme. Ce travail s'inscrit dans cette mouvance et vise à rechercher et décrire des techniques d'accélération de convergence facilement implémentables et automatisables. Dans cette thèse, nous nous intéressons à des méthodes d'échantillonnage préférentiel. Ces techniques classiques pour les équations de transport utilisent des paramètres qui sont usuellement fixés de façon ernpirique par des spécialistes. La principale originalité de notre travail est de proposer des méthodes qui s'automatisent facilement. L'originalité de l'algorithme tient d'une part à l'utilisation d'un échantillonnage préférentiel sur la variable angulaire (biaisage angulaire), utilisé en plus de l'échantillonnage de la variable de position, d'autre part en la description d'une technique de calcul explicite de tous les paramètres utiles dans la réduction de variance. Ce dernier point permet l'automatisation quasi-complète de la procédure de réduction de variance.

This book provides a comprehensive overview of reaction processes in the Earth's crust and on its surface, both in the laboratory and in the field. A clear exposition of the underlying equations and calculation techniques is balanced by a large number of fully worked examples. The book uses The Geochemist's Workbench® modeling software, developed by the author and already installed at over 1000 universities and research facilities worldwide. Since publication of the first edition, the field of reaction modeling has continued to grow and find increasingly broad application. In particular, the description of microbial activity, surface chemistry, and redox chemistry within reaction models has become broader and more rigorous. These areas are covered in detail in this new edition, which was originally published in 2007. This text is written for graduate students and academic researchers in the fields of geochemistry, environmental engineering, contaminant hydrology, geomicrobiology, and numerical modeling.