Well-balanced and asymptotic preserving schemes for kinetic models

In this paper, we propose a general framework for designing numerical schemes that have both well-balanced (WB) and asymptotic preserving (AP) properties, for various kinds of kinetic models. We are interested in two different parameter regimes, 1) When the ratio between the mean free path and the characteristic macroscopic length $\epsilon$ tends to zero, the density can be described by (advection) diffusion type (linear or nonlinear) macroscopic models; 2) When $\epsilon$ = O(1), the models behave like hyperbolic equations with source terms and we are interested in their steady states. We apply the framework to three different kinetic models: neutron transport equation and its diffusion limit, the transport equation for chemotaxis and its Keller-Segel limit, and grey radiative transfer equation and its nonlinear diffusion limit. Numerical examples are given to demonstrate the properties of the schemes

Existence and diffusive limit of a two-species kinetic model of chemotaxis

In this paper, we propose a kinetic model describing the collective motion by chemotaxis of two species in interaction emitting the same chemoattractant. Such model can be seen as a generalisation to several species of the Othmer-Dunbar-Alt model which takes into account the run-and-tumble process of bacteria. Existence of weak solutions for this two-species kinetic model is studied and the convergence of its diffusive limit towards a macroscopic model of Keller-Segel type is analysed

Diffusion limit of langevin pdf models in weakly inhomogeneous turbulence

In this work, we discuss the modelling of transport in Langevin probability density function (PDF) models used to predict turbulent flows. Our focus is on the diffusion limit of these models, i.e. when advection and dissipation are the only active physical processes. In this limit, we show that Langevin PDF models allow for an asymptotic expansion in terms of the ratio of the integral length to the mean gradient length. The main contribution of this expansion yields an evolution of the turbulent kinetic energy equivalent to that given by a k-epsilon model. In particular, the transport of kinetic energy is given by a gradient diffusion term. Interestingly, the identification between PDF and k-epsilon models raises a number of questions concerning the way turbulent transport is closed in PDF models. In order to validate the asymptotic solution, several numerical simulations are performed.Dans cet article, nous abordons la question de la modélisation du transport turbulent dans les modèles de turbulence basés sur les fonctions de densité de probabilité (PDF). Nous étudions la limite diffusive de ces modèles obtenue lorsque l'advection et la dissipation sont les seuls processus physiques actifs. Dans cette limite, nous montrons que les modèles PDF donnent lieu à un développement asymptotique selon un petit paramètre correspondant au rapport de l'échelle intégrale sur l'échelle du gradient moyen. La contribution principale de ce développement s'identifie avec un modèle k-epsilon classique. En particulier, le transport de l'énergie turbulente est donné par une diffusion en premier gradient. L'identification entre modèle k-epsilon et modèle PDF permet de soulever un certain nombre de questions sur la manière dont le transport est modélisé dans les approches PDF. La solution asymptotique est validée par des simulations numériques réalisées à l'aide d'un code Monte Carlo mais aussi d'un code déterministe

Study of two-species chemotaxis models

Cette thèse s'intéresse à la migration cellulaire d'une population composée de deux espèces qui interagissent par le biais de signaux chimiques. Ces signaux chimiques auxquels sont soumis les deux espèces sont de nature différente. Ils sont soit intérieur (produit par les deux espèces) ou bien extérieur (apporté par le milieu et consommé par les deux espèces). On observe le phénomène de synchronisation et de désynchronisation lors de la migration d'une population composée de deux espèces différentes d'E.Coli. Séparément, les bactéries rouges d'E.Coli se déplacent deux fois plus vite que les bactéries vertes. Cependant dans le cas d'une population mixte composée de rouges et de vertes, les bactéries rouges et vertes se déplacent ensemble ou séparément en fonction de la proportion de la bactérie la plus rapide rouge dans la population.Cette observation expérimentale est interprétée par un modèle macroscopique parabolique de chimiotactisme à deux espèces pour lequel l'existence et la non-existence des ondes de concentration sont prouvées. Ce modèle macroscopique parabolique à deux espèces est construit à partir des modèles microscopiques qui traduisent le mouvement individuel des cellules.Ce phénomène de synchronisation et de désynchronisation est aussi présent dans la dynamique des masses de dirac des deux espèces après l'explosion des solutions classiques dans un modèle d'agrégation à deux espèces avec une seule substance chimique.Nous proposons aussi dans cette thèse une méthode pour obtenir des schémas numériques préservant à la fois l'équilibre et l'asymptotique. Cette méthode est testée aux modèles cinétiques de chimiotactisme et de transfert radiatif.This thesis is concerned about cellular motion of a population composed of two species in interaction through chemical cues. The chemical cues to which the two species are subject are of different kind.They can be internal (produced by the two species) or external (present in the meduim and consommed by the two species). Synchronising and non-synchronising effects are observed during the migration of the population formed by two different strains of E.Coli.Although separately, red bacteria E.Coli travel twice as fast as green bacteria E.Coli, put together, they travel or split depending on the percentage of the faster bacteria in the population. This experimental result is explained by a two-species parabolic macroscopic chemotaxis model for which the existence and non-existence of traveling pulses are showed. The parabolic macroscopic model is derived from microscopic models which describe the individual motion of cells. The synchronising and non-synchronising effect is also encountered in dynamics of the two-species dirac masses after blow-up of classical solutions in a two-species model for aggregation. A method to design both well-balanced and asymptotic preserving schemes is proposed. This method is tested to chemotaxis and radiative transport kinetic models

Études de modèles de chimiotactisme à deux espèces

This thesis is concerned about cellular motion of a population composed of two species in interaction through chemical cues. The chemical cues to which the two species are subject are of different kind.They can be internal (produced by the two species) or external (present in the meduim and consommed by the two species). Synchronising and non-synchronising effects are observed during the migration of the population formed by two different strains of E.Coli.Although separately, red bacteria E.Coli travel twice as fast as green bacteria E.Coli, put together, they travel or split depending on the percentage of the faster bacteria in the population. This experimental result is explained by a two-species parabolic macroscopic chemotaxis model for which the existence and non-existence of traveling pulses are showed. The parabolic macroscopic model is derived from microscopic models which describe the individual motion of cells. The synchronising and non-synchronising effect is also encountered in dynamics of the two-species dirac masses after blow-up of classical solutions in a two-species model for aggregation. A method to design both well-balanced and asymptotic preserving schemes is proposed. This method is tested to chemotaxis and radiative transport kinetic models.Cette thèse s'intéresse à la migration cellulaire d'une population composée de deux espèces qui interagissent par le biais de signaux chimiques. Ces signaux chimiques auxquels sont soumis les deux espèces sont de nature différente. Ils sont soit intérieur (produit par les deux espèces) ou bien extérieur (apporté par le milieu et consommé par les deux espèces). On observe le phénomène de synchronisation et de désynchronisation lors de la migration d'une population composée de deux espèces différentes d'E.Coli. Séparément, les bactéries rouges d'E.Coli se déplacent deux fois plus vite que les bactéries vertes. Cependant dans le cas d'une population mixte composée de rouges et de vertes, les bactéries rouges et vertes se déplacent ensemble ou séparément en fonction de la proportion de la bactérie la plus rapide rouge dans la population.Cette observation expérimentale est interprétée par un modèle macroscopique parabolique de chimiotactisme à deux espèces pour lequel l'existence et la non-existence des ondes de concentration sont prouvées. Ce modèle macroscopique parabolique à deux espèces est construit à partir des modèles microscopiques qui traduisent le mouvement individuel des cellules.Ce phénomène de synchronisation et de désynchronisation est aussi présent dans la dynamique des masses de dirac des deux espèces après l'explosion des solutions classiques dans un modèle d'agrégation à deux espèces avec une seule substance chimique.Nous proposons aussi dans cette thèse une méthode pour obtenir des schémas numériques préservant à la fois l'équilibre et l'asymptotique. Cette méthode est testée aux modèles cinétiques de chimiotactisme et de transfert radiatif

Synchronising and non-synchronising dynamics for a two-species aggregation model

International audienceThis paper deals with analysis and numerical simulations of a one-dimensional two-species hyperbolic aggregation model. This model is formed by a system of transport equations with nonlocal velocities, which describes the aggregate dynamics of a two-species population in interaction appearing for instance in bacterial chemotaxis. Blow-up of classical solutions occurs in finite time. This raises the question to define measure-valued solutions for this system. To this aim, we use the duality method developed for transport equations with discontinuous velocity to prove the existence and uniqueness of measure-valued solutions. The proof relies on a stability result. In addition, this approach allows to study the hyperbolic limit of a kinetic chemotaxis model. Moreover, we propose a finite volume numerical scheme whose convergence towards measure-valued solutions is proved. It allows for numerical simulations capturing the behaviour after blow up. Finally, numerical simulations illustrate the complex dynamics of aggregates until the formation of a single aggregate: after blow-up of classical solutions, aggregates of different species are synchronising or nonsynchronising when collide, that is move together or separately, depending on the parameters of the model and masses of species involved

Diffusion limit of the simplified Langevin PDF model in weakly inhomogeneous turbulence

In this work, we discuss the modelling of transport in Langevin probability density function (PDF) models used to predict turbulent flows [1]. Our focus is on the diffusion limit of these models, i.e. when advection and dissipation are the only active physical processes. In this limit, we show that Langevin PDF models allow for an asymptotic expansion in terms of the ratio of the integral length to the mean gradient length. The main contribution of this expansion yields an evolution of the turbulent kinetic energy equivalent to that given by a k − ε model. In particular, the transport of kinetic energy is given by a gradient diffusion term. Interestingly, the identification between PDF and \hbox{$\overline{k}-\overline{\varepsilon}$} k − ε models raises a number of questions concerning the way turbulent transport is closed in PDF models. In order to validate the asymptotic solution, several numerical simulations are performed, with a Monte Carlo solver and also with a deterministic code

Traveling Pulses for a Two-Species Chemotaxis Model

International audienceMathematical models have been widely used to describe the collective movement of bacteria by chemotaxis. In particular, bacterial concentration waves traveling in a narrow channel have been experimentally observed and can be precisely described thanks to a mathematical model at the macroscopic scale. Such model was derived in [1] using a kinetic model based on an accurate description of the mesoscopic run-and-tumble process. We extend this approach to study the behavior of the interaction between two populations of E. Coli. Separately, each population travels with its own speed in the channel. When put together, a synchronization of the speed of the traveling pulses can be observed. We show that this synchronization depends on the fraction of the fast population. Our approach is based on mathematical analysis of a macroscopic model of partial differential equations. Numerical simulations in comparison with experimental observations show qualitative agreement

Diffusion limit of the simplified Langevin PDF model in weakly inhomogeneous turbulence

In this work, we discuss the modelling of transport in Langevin probability density function (PDF) models used to predict turbulent flows [1]. Our focus is on the diffusion limit of these models, i.e. when advection and dissipation are the only active physical processes. In this limit, we show that Langevin PDF models allow for an asymptotic expansion in terms of the ratio of the integral length to the mean gradient length. The main contribution of this expansion yields an evolution of the turbulent kinetic energy equivalent to that given by a k − ε model. In particular, the transport of kinetic energy is given by a gradient diffusion term. Interestingly, the identification between PDF and \hbox{$\overline{k}-\overline{\varepsilon}$} models raises a number of questions concerning the way turbulent transport is closed in PDF models. In order to validate the asymptotic solution, several numerical simulations are performed, with a Monte Carlo solver and also with a deterministic code