Global existence of bounded weak solutions to degenerate cross-diffusion equations in moving domain

International audienceThis note focuses on some issues for the analysis of a system of degenerate cross-diffusion partial differential equations (PDEs). This family of models are encountered in a wide variety of contexts, such as population dynamics, biology, chemistry or materials science. The application we have in mind here is the modeling of the evolution of the concentration of chemical species composing a crystalline solid. The functions, that are the solutions of the system of PDEs of interest, represent the local densities of the different components of the material, and thus should be nonnegative, bounded and satisfy some volumic constraints which will be made precise later in the note. These systems are useful for instance for the prediction of the chemical composition of thin solid films grown by Chemical Vapor Deposition (CVD). In this process, a solid wafer is exposed to gaseous precursors, corresponding to the different species entering the composition of the film, which react or decompose on the substrate surface to produce the desireddeposit. This process generally occurs at high temperature and takes several hours, so that the diffusion of the different atomic species within the bulk of the solid has to be taken into account in addition to the evolution of the surface of the film

Coupling strategies for the simulation of heat exchangers

International audienceHeat exchangers allow to transfer heat energy from the primary fluid to the secondary one in pressurized water reactors. From a modelling point of view, a heat exchanger is equivalent to coupling a thermal conduction model (solid) with two thermal-hydraulic models (primary and secondary fluids). At the system scale, the strategy adopted to implement this coupling has a crucial impact on the accuracy and speed of a simulation. In particular, algorithms that require small time steps and/or several sequential iterations between the thermal and the thermal-hydraulic solvers may increase drastically the computational cost of a simulation. This paper first gives a general numerical framework towards a fully implicit coupling strategy to model a heat exchanger. In addition, the paper highlights practical implementationconstraints one may face on an industrial code such as the System Thermal-Hydraulic CATHARE code. Then, it discusses the numerical details of two algorithms, namely explicit coupling and quasi-implicit coupling. Both strategies are based on an iterative fixed-point paradigm and are currently implemented in CATHARE code. Simulation results stemming from the CATHARE code are finally presented to show the numerical hehavior of each algorithm and assess their ability to reporoduce experimental profiles such as the ones measured in MEGEVE facility

Modèles mathématiques et simulation numérique de dispositifs photovoltaïques

This thesis includes two independent parts, both motivated by mathematical modeling and numerical simulation of photovoltaic devices. Part I deals with cross-diffusion systems of partial differential equations, modeling the evolution of concentrations or volume fractions of several chemical or biological species. We present in Chapter 1 a succinct introduction to the existing mathematical results about these systems when they are defined on fixed domains. We present in Chapter 2 a one-dimensional system that we introduced to model the evolution of the volume fractions of the different chemical species involved in the physical vapor deposition process (PVD) used in the production of thin film solar cells. In this process, a sample is introduced into a very high temperature oven where the different chemical species are injected in gaseous form, so that atoms are gradually deposited on the sample, forming a growing thin film. In this model, both the evolution of the film surface during the process and the evolution of the local volume fractions within this film are taken into account, resulting in a cross-diffusion system defined on a time dependent domain. Using a recent method based on entropy estimates, we show the existence of weak solutions to this system and study their asymptotic behavior when the external fluxes are assumed to be constant. Moreover, we prove the existence of a solution to an optimization problem set on the external fluxes. We present in Chapter3 how was this model adapted and calibrated on experimental data. Part II is devoted to some issues related to the calculation of the electronic structure of crystalline materials. We recall in Chapter 4 some classical results about the spectral decomposition of periodic Schrödinger operators. In text of Chapter 5, we try to answer the following question: is it possible to determine a periodic potential such that the first energy bands of the associated periodic Schrödinger operator are as close as possible to certain target functions? We theoretically show that the answer to this question is positive when we consider the first energy band of the operator and one-dimensional potentials belonging to a space of periodic measures that are lower bounded in certain ness. We also propose an adaptive method to accelerate the numerical optimization procedure. Finally, Chapter 6 deals with a greedy algorithm for the compression of Wannier functions into Gaussian-polynomial functions exploiting their symmetries. This compression allows, among other things, to obtain closed expressions for certain tight-binding coefficients involved in the modeling of 2D materialsCette thèse comporte deux volets indépendants mais tous deux motivés par la modélisation mathématique et la simulation numérique de procédés photovoltaïques. La Partie I traite de systèmes d’équations aux dérivées partielles de diffusion croisée, modélisant l’évolution de concentrations ou de fractions volumiques de plusieurs espèces chimiques ou biologiques. Nous présentons dans le chapitre 1 une introduction succincte aux résultats mathématiques connus sur ces systèmes lorsqu’ils sont définis sur des domaines fixes. Nous présentons dans le chapitre 2 un système unidimensionnel que nous avons introduit pour modéliser l’évolution des fractions volumiques des différentes espèces chimiques intervenant dans le procédé de déposition physique en phase vapeur (PVD) utilisé pour la fabrication de cellules solaires à couches minces. Dans ce procédé, un échantillon est introduit dans un four à très haute température où sont injectées les différentes espèces chimiques sous forme gazeuse, si bien que des atomes se déposent petit à petit sur l’échantillon, formant une couche mince qui grandit au fur et à mesure du procédé. Dans ce modèle sont pris en compte à la fois l’évolution de la surface du film solide au cours du procédé et l’évolution des fractions volumiques locales au sein de ce film, ce qui aboutit à un système de diffusion croisée défini sur un domaine dépendant du temps. En utilisant une méthode récente basée sur l’entropie, nous montrons l’existence de solutions faibles à ce système et nous étudions leur comportement asymptotique dans le cas où les flux extérieurs imposés à la surface du film sont supposés constants. De plus, nous prouvons l’existence d’une solution à un problème d’optimisation sur les flux extérieurs. Nous présentons dans le chapitre 3comment ce modèle a été adapté et calibré sur des données expérimentales. La Partie II est consacrée à des questions reliées au calcul de la structure électronique de matériaux cristallins. Nous rappelons dans le chapitre 4 certains résultats classiques relatifs à la décomposition spectrale d’opérateurs de Schrödinger périodiques. Dans le chapitre 5, nous tentons de répondre à la question suivante : est-il possible de déterminer un potentiel périodique tel que les premières bandes d’énergie de l’opérateur de Schrödinger associé soient aussi proches que possible de certaines fonctions cibles ?Nous montrons théoriquement que la réponse à cette question est positive lorsque l’on considère la première bande de l’opérateur et des potentiels unidimensionnels appartenant à un espace de mesures périodiques bornées inférieurement en un certain sens. Nous proposons également une méthode adaptative pour accélérer la procédure numérique de résolution du problème d’optimisation. Enfin, le chapitre 6 traite d’un algorithme glouton pour la compression de fonctions de Wannier en exploitant leurs symétries. Cette compression permet, entre autres, d’obtenir des expressions analytiques pour certains coefficients de tight-binding intervenant dans la modélisation de matériaux 2

Mathematical models and numerical simulation of photovoltaic devices

Cette thèse comporte deux volets indépendants mais tous deux motivés par la modélisation mathématique et la simulation numérique de procédés photovoltaïques. La Partie I traite de systèmes d’équations aux dérivées partielles de diffusion croisée, modélisant l’évolution de concentrations ou de fractions volumiques de plusieurs espèces chimiques ou biologiques. Nous présentons dans le chapitre 1 une introduction succincte aux résultats mathématiques connus sur ces systèmes lorsqu’ils sont définis sur des domaines fixes. Nous présentons dans le chapitre 2 un système unidimensionnel que nous avons introduit pour modéliser l’évolution des fractions volumiques des différentes espèces chimiques intervenant dans le procédé de déposition physique en phase vapeur (PVD) utilisé pour la fabrication de cellules solaires à couches minces. Dans ce procédé, un échantillon est introduit dans un four à très haute température où sont injectées les différentes espèces chimiques sous forme gazeuse, si bien que des atomes se déposent petit à petit sur l’échantillon, formant une couche mince qui grandit au fur et à mesure du procédé. Dans ce modèle sont pris en compte à la fois l’évolution de la surface du film solide au cours du procédé et l’évolution des fractions volumiques locales au sein de ce film, ce qui aboutit à un système de diffusion croisée défini sur un domaine dépendant du temps. En utilisant une méthode récente basée sur l’entropie, nous montrons l’existence de solutions faibles à ce système et nous étudions leur comportement asymptotique dans le cas où les flux extérieurs imposés à la surface du film sont supposés constants. De plus, nous prouvons l’existence d’une solution à un problème d’optimisation sur les flux extérieurs. Nous présentons dans le chapitre 3comment ce modèle a été adapté et calibré sur des données expérimentales. La Partie II est consacrée à des questions reliées au calcul de la structure électronique de matériaux cristallins. Nous rappelons dans le chapitre 4 certains résultats classiques relatifs à la décomposition spectrale d’opérateurs de Schrödinger périodiques. Dans le chapitre 5, nous tentons de répondre à la question suivante : est-il possible de déterminer un potentiel périodique tel que les premières bandes d’énergie de l’opérateur de Schrödinger associé soient aussi proches que possible de certaines fonctions cibles ?Nous montrons théoriquement que la réponse à cette question est positive lorsque l’on considère la première bande de l’opérateur et des potentiels unidimensionnels appartenant à un espace de mesures périodiques bornées inférieurement en un certain sens. Nous proposons également une méthode adaptative pour accélérer la procédure numérique de résolution du problème d’optimisation. Enfin, le chapitre 6 traite d’un algorithme glouton pour la compression de fonctions de Wannier en exploitant leurs symétries. Cette compression permet, entre autres, d’obtenir des expressions analytiques pour certains coefficients de tight-binding intervenant dans la modélisation de matériaux 2DThis thesis includes two independent parts, both motivated by mathematical modeling and numerical simulation of photovoltaic devices. Part I deals with cross-diffusion systems of partial differential equations, modeling the evolution of concentrations or volume fractions of several chemical or biological species. We present in Chapter 1 a succinct introduction to the existing mathematical results about these systems when they are defined on fixed domains. We present in Chapter 2 a one-dimensional system that we introduced to model the evolution of the volume fractions of the different chemical species involved in the physical vapor deposition process (PVD) used in the production of thin film solar cells. In this process, a sample is introduced into a very high temperature oven where the different chemical species are injected in gaseous form, so that atoms are gradually deposited on the sample, forming a growing thin film. In this model, both the evolution of the film surface during the process and the evolution of the local volume fractions within this film are taken into account, resulting in a cross-diffusion system defined on a time dependent domain. Using a recent method based on entropy estimates, we show the existence of weak solutions to this system and study their asymptotic behavior when the external fluxes are assumed to be constant. Moreover, we prove the existence of a solution to an optimization problem set on the external fluxes. We present in Chapter3 how was this model adapted and calibrated on experimental data. Part II is devoted to some issues related to the calculation of the electronic structure of crystalline materials. We recall in Chapter 4 some classical results about the spectral decomposition of periodic Schrödinger operators. In text of Chapter 5, we try to answer the following question: is it possible to determine a periodic potential such that the first energy bands of the associated periodic Schrödinger operator are as close as possible to certain target functions? We theoretically show that the answer to this question is positive when we consider the first energy band of the operator and one-dimensional potentials belonging to a space of periodic measures that are lower bounded in certain ness. We also propose an adaptive method to accelerate the numerical optimization procedure. Finally, Chapter 6 deals with a greedy algorithm for the compression of Wannier functions into Gaussian-polynomial functions exploiting their symmetries. This compression allows, among other things, to obtain closed expressions for certain tight-binding coefficients involved in the modeling of 2D material

Cross-diffusion systems with non-zero flux and moving boundary conditions

We propose and analyze a one-dimensional multi-species cross-diffusion system with non-zero-flux boundary conditions on a moving domain, motivated by the modeling of a Physical Vapor Deposition process. Using the boundedness by entropy method introduced and developped in [5, 16], we prove the existence of a global weak solution to the obtained system. In addition, existence of a solution to an optimization problem defined on the fluxes is established under the assumption that the solution to the considered cross-diffusion system is unique. Lastly, we prove that in the case when the imposed external fluxes are constant and positive and the entropy density is defined as a classical logarithmic entropy, the concentrations of the different species converge in the long-time limit to constant profiles at a rate inversely proportional to time. These theoretical results are illustrated by numerical tests

An a posteriori error estimator based on shifts for positive hermitian eigenvalue problems

This work deals with an a posteriori error estimator for hermitian positive eigenvalue problems. The proposed estimator is based on the residual and the definition of suitable shifts in the matrix spectrum. The mathematical properties (certification and sharpness) are investigated and some numerical experiments are proposed

Numerical reconstruction of the first band(s) in an inverse Hill's problem

This paper concerns an inverse band structure problem for one dimensional periodic Schrödinger operators (Hill's operators). Our goal is to find a potential for the Hill's operator in order to reproduce as best as possible some given target bands, which may not be realisable. We recast the problem as an optimisation problem, and prove that this problem is well-posed when considering singular potentials (Borel measures). We then propose different algorithms to tackle the problem numerically

Numerical reconstruction of the first band(s) in an inverse Hill's problem

International audienceThis paper concerns an inverse band structure problem for one dimensional periodic Schrödinger operators (Hill's operators). Our goal is to find a potential for the Hill's operator in order to reproduce as best as possible some given target bands, which may not be realisable. We recast the problem as an optimisation problem, and prove that this problem is well-posed when considering singular potentials (Borel measures). We then propose different algorithms to tackle the problem numerically