Domain decomposition for systems deriving from Navier-Stokes equations

Les équations fondamentales décrivant la dynamique de l'océan sont en théorie les équations de Navier-Stokes sur une sphère en rotation, auxquelles il faut a jouter une équation d'état pour la densité, et des équations de transport-diffusion pour les traceurs. Toutefois, un certain nombre de considérations physiques et de limitations pratiques ont nécessité le développement de modèles plus simples. En effet, un certain nombre d'hypothèses simplificatrices sont pleinement justifiées du point de vue de la physique des mouvements océaniques, dont les principales sont les approximations de couche mince et de Boussinesq. D'autre part, étant donné les dimensions des bassins océaniques (plusieurs centaines à plusieurs milliers de kilomètres), les coûts de calculs sont un facteur pratique extrêmement limitant. On est, à l'heure actuelle, capable de simuler l'océan mondial avec une résolution de l'ordre de dix kilomètres, en utilisant des modèles dits aux équations primitives, dont le coût de calcul est bien inférieur à celui des équations de Navier-Stokes. On est donc bien loin d'une modélisation complète des phénomènes décrits par ces équations, qui nécessiterait en théorie de considérer des échelles de l'ordre du millimètre. Les équations primitives sont issues des équations complètes de la mécanique des fluides en effectuant l'approximation hydrostatique, justifiée par la faible profondeur des domaines considérés au regard de leur dimension horizontale. Dans cette thèse, nous considérerons les équations de Navier-Stokes (NS) qui sont le coeur du modèle complet évoqué ci-dessus, sans prendre en compte les équations de la densité et des traceurs (salinité, température, etc.). Nous utiliserons l'approximation hydrostatique dans le chapitre 10, et le modèle sera naturellement appelé Navier-Stokes hydrostatique (NSH). Il correspond aux équations primitives dans lesquelles on ne prendrait pas en compte la densité et les traceurs. C'est dans ce cadre que se situe le travail présenté dans cette thèse, avec l'objectif à moyen terme de pouvoir coupler de façon rigoureuse et efficace les équations de Navier-Stokes avec les équations primitives. Dans une première partie, on présentera quelques rappels sur les équations de Navier-Stokes, leur discrétisation, ainsi que le cas-test de la cavité entraînée qui sera utilisé dans tout ce document. Dans une deuxième partie, on met en œuvre les méthodes de Schwarz sur les équations de Stokes et Navier-Stokes, en dérivant notamment des conditions absorbantes exactes et approchées pour ces systèmes. Enfin, dans une troisième partie, on proposera des pistes vers le couplage Navier-Stokes/Navier-Stokes hydrostatique décrit ci-dessus.Fundamental equations describing the ocean dynamic are theoretically Navier-Stokes equations over a rotating sphere, whom need to add a state equation for the fluid density, and advection-diffusion equations for tracers. However, some physical considerations and practical limitations required to developped more simple models. Indeed, some simplifying hypotheses are well justified from a ocean dynamic point of view, whose principal ones are thin layer and Boussinesq approximations. On the other hand, considering the dimensions of oceans (from serveral hundreds to serveral thousands kilometers), computations costs are a very practical limitating factor. We are, by now, able to simulate the global ocean with about ten kilometers large grid mesh. This is very far from a complete modelisation of all phenomenes decribed by the Navier-Stokes equations, which require to consider scales of milimeters order. Primitives equations derive from complete equations describing fluid mecanics, by doing the hydrostatic approximations, which is justified by the low deepness of considered domains with regard to their horizontal dimension. In this thesis, we are considering Navier-Stokes equations (NS) which are the heart of the complete modele mentionned previously, without holding in account density and tracers equations. We will use the hydrostatic approximations, and the resulting equations will be named as hydrostatic Navier-Stokes equations (NSH).The mid term objective is to couple carefully Navier-Stokes equations with primitive equation. In a first part, we will remind few results for Navier-Stokes equations, their discretization, and the lid-driven cavity which wil be used as a test-case. In a second part, we will use Schwarz method with Stokes and Navier-Stokes equations, deriving in particular exact and approched absorbing interface conditions for these systems. Finally, in a third part, we shall propose first results towards coupling Navier-Stokes and hydrostatic Navier-Stokes equations