Mathematical study of complex fluids in anisotropic geometries

Cette thèse est consacrée à l’étude mathématique des écoulements complexes dans des tubes minces. Les difficultés ne sont pas seulement liées à la rhéologie complexe, mais aussi aux conditions au bord sur la pression en entrée et en sortie (qui sont moins habituelles, mais réalistes du point de vue physique). Dans une première partie, des écoulements quasi-newtoniens stationnaires sont étudiés. D’abord, on utilise la petitesse du domaine pour montrer l’existence de la solution. Ensuite, on écrit un développement asymptotique de cette solution et on calcule formellement ses coefficients. Finalement, on justifie rigoureusement la validité de ce développement en démontrant des estimations d’erreur. Dans une deuxième partie, on considère des écoulements de fluides visco-élastiques décrits par la loi d’Oldroyd en régime stationnaire. Le modèle que nous avons choisi contient un terme diffusif en contrainte, dont l’ordre de grandeur est lié à la petitesse du domaine. Similairement à la première partie, un développement asymptotique est complètement justifié du point de vue mathématique. Dans le cas particulier de domaines axisymétriques une solution numérique est cherchée afin de la comparer à la solution obtenue via la technique asymptotique. Dans une dernière partie, on étudie les équations de Navier-Stokes non stationnaires. Un résultat d’existence des solutions fortes pour des données petites est démontré. Malheureusement, la méthode directe ne nous a pas permis pas d’avoir suffisamment de contrôle par rapport à la petitesse du domaine. Pour obtenir le résultat désiré, on utilise l’approche à la Kato, basé sur la théorie de C0 semigroupes.This thesis is devoted to the mathematical analysis of complex flows in thin pipes. The difficulties stem not only from the complex rheology, but also from the boundary conditions used involving the pressure (which are rather atypical, but realistic from a physical point of view).In the first part, we study stationary, quasi-newtonian flows. The existence of a solution is shown using the smallness of the domain as a key ingredient. Furthermore, an asymptotic expansion of this solution is sought and its coefficients are formally computed. Lastly, the validity of this expansion is rigorously justified by proving error estimates. In the second part, we consider visco-elastic flows represented by Oldroyd’s law in stationary regime. The model which we have chosen contains a diffusive stress term, whose order of magnitude is related to the smallness of the domain. Similarly to the first part, a complete asymptotic expansion in mathematically justified. For the special case of axisymmetric domains a numerical solution is sought in order to compare it against the one obtained via the asymptotic technique. In the last part we study the non stationary Navier-Stokes equations. An existence result of strong solutions for small initial data is proven. Unfortunately, the direct method – based on energy estimates – doesn’t give us an optimal control of the smallness constant with respect to the size of the domain. To obtain the desired result, we employ the method of C 0 semigroups of linear operators