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ACL; International audience; A double porosity model of multidimensional immiscible com-pressible two-phase flow in fractured reservoirs is derived by the mathematicaltheory of homogenization. Special attention is paid to developing a generalapproach to incorporating compressibility of both phases. The model is writ-ten in terms of the phase formulation, i.e. the saturation of one phase andthe pressure of the second phase are primary unknowns. This formulationleads to a coupled system consisting of a doubly nonlinear degenerate para-bolic equation for the pressure and a doubly nonlinear degenerate parabolicdiffusion-convection equation for the saturation, subject to appropriate bound-ary and initial conditions. The major difficulties related to this model are inthe doubly nonlinear degenerate structure of the equations, as well as in thecoupling in the system. Furthermore, a new nonlinearity appears in the tem-poral term of the saturation equation. The aim of this paper is to extend theresults of [9] to this more general case. With the help of a new compactness re-sult and uniform a priori bounds for the modulus of continuity with respect tothe space and time variables, we provide a rigorous mathematical derivation ofthe upscaled model by means of the two-scale convergence and the dilatationtechnique.

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Single and multiphase flow and transport processes in heterogeneous porous media are involved in a wide variety of engineering applications, such as oil recovery, radioactive nuclear waste and groundwater remediation. In this work, we study flow and transport through heterogeneous porous media using homogenization methods and numerical modeling. We are concerned with approximating effective coefficients for such problems using conforming, mixed finite elements and finite volume methods and their implementation. Numerical methods have been developed for the simulation of miscible or immiscible two-phase flow in heterogeneous porous media. Three topics are investigated. The first one deals with the homogenization of single and multiphase flow in porous media. The convergence results are obtained by mean of the two-scale convergence and/or L-convergence. Each homogenization method leads to the definition of a global or effective model of a homogeneous medium defined by the computed effective coefficients. Homogenization methods allow the determination of these effective coefficients from knowledge of the geometrical structure of a basic cell and its heterogeneities by solving appropriate local problems. The technique is based on numeric. We assume that data given on a fine grid fully represents the important physical scales and that a practical computational grid must be somewhat coarser. In the homogenization methods described and implemented in this work we use conforming, mixed finite elements and FV methods to compute approximate solutions of the local problems used in the calculation of the effective coefficients. We have developed a user friendly computational tool, Homogenizer++, for the computation of effective parameters. The platform Homogenizer++ is based on Object Oriented Programming approach. The second topic concerns numerical methods for miscible or immiscible two-phase flow in porous media. The mathematical models used to describe these fluid flow processes are coupled system of partial differential equations. The miscible model under consideration includes an elliptic pressure-velocity equation coupled to a linear convection-diffusion-reaction concentration equation. While the immiscible model is described by an elliptic pressure-velocity equation coupled to a nonlinear, degenerate, convection-diffusion saturation equation. For each model, it is shown that the scheme satisfies a discrete maximum principle. We derive $L^\infty$ and BV estimates under an appropriate CFL condition. Then we prove the convergence of the approximate solutions to a weak solution of the coupled system. Several numerical simulations prove the efficiency of these schemes. A posteriori error estimation for a finite volume scheme on anisotropic meshes for Darcy equation has been derived. The scheme is a analyzed theoretically and numerically. Numerical simulations underline the applicability of the scheme in adaptive computations. Finally, we present some numerical methods applied to groundwater flow problems. These include a meshless method, genetic algorithms, and stochastic boundary element algorithms. A meshless method based on radial basis functions is coupled with genetic algorithms for parameter identification to a diffusion equation with some specific boundary conditions describing the groundwater fluctuation in a leaky confined aquifer system near open tidal water. Then a stochastic boundary element method coupled to a genetic algorithm is employed for the optimization of groundwater pumping in coastal aquifers under the threat of saltwater intrusion. Numerical examples of deterministic and stochastic problems are provided to demonstrate the feasibility of the proposed schemes.; Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur des méthodes d'homogénéisation et d'approximation numérique pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux hétérogènes. Les applications visées proviennent des problèmes de l'ingénierie pétrolière, la gestion des déchets radioactifs et la gestion des ressources en eau souterraines. On s'intéresse à des méthodes numériques pour le calcul des coefficients effectifs obtenus par des méthodes asymptotiques de mise à l'échelle, à des méthodes d'éléments finis mixtes, à des méthodes de volumes finis et à leur implémentation. Des méthodes numériques ont été développées pour la simulation des écoulements miscibles ou immiscibles en milieux poreux hétérogènes. Trois thèmes sont abordés. Le premier traite de l'homogénéisation pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux. Les résultats de convergence obtenus sont établis à l'aide de la convergence à deux échelles et/ou la L-convergence. Le calcul des paramètres effectifs nécessite la résolution de problèmes locaux sur une cellule de base. Les méthodes numériques utilisées sont de type éléments finis conformes, éléments finis mixtes et volumes finis. Nous avons développé une plate-forme (Homogenizer++), en Java, de calcul de paramètres effectifs. Homogenizer++ est basée sur une Interface Homme Machine conviviale et utilisée comme un pré-processing à des simulations numériques d'écoulements en milieux poreux hétérogènes. Le deuxième thème porte sur l'approximation numérique de systèmes d'écoulements diphasiques miscibles ou immiscibles en milieux poreux. Le modèle miscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection-réaction linéaire. Tandis que le modèle immiscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection nonlinéaire et dégénérée. On utilise une méthode d'éléments finis mixtes pour l'approximation de l'équation elliptique combinée à un schéma volumes finis pour l'équation de diffusion-convection. Pour chaque système, on montre que le schéma est $L^\infty$ et BV stables, sous une condition CFL, et satisfait le principe du maximum discret. Ensuite, on établit des résultats de convergence vers la solution faible du problème. Les simulations numériques réalisées confirment l'efficacité des schémas numériques proposés. Un estimateur a posteriori d'un schéma volume finis pour l'équation de Darcy a été développé pour des maillages anisotropiques. On montre théoriquement et numériquement l'efficacité de cette méthode d'adaptation de maillage. Enfin le dernier thème concerne des méthodes d'approximation numérique pour des problèmes de ressources en eau souterraines. Une méthode sans maillage couplée à un algorithme génétique a été développée et implémentée pour une équation de diffusion modélisant un écoulement monophasique en milieux poreux. Puis on montre numériquement l'efficacité d'une méthode combinant les éléments frontières et un algorithme génétique pour un problème d'intrusion d'eau marine dans les nappes aquifères.

In this thesis, we are interested in numerical methods for a model of incompressible and miscible flows having application in hydrogeology and oil engineering. We study and analyze a numerical scheme combining a mixed finite element method (MFE) and a finite volumes method (FV) to discretize the coupled system between an elliptic equation (pressure-velocity) and a convection-diffusion-reaction equation (concentration). The FV scheme considered is "vertex centered" type semi-implicit in time: explicit for the convection and implicit for the diffusion. We use a Godunov scheme to approach the convectif term and a P1 finite element approximation for the diffusion term. We prove that the FV scheme is L≂ and BV stable and satisfy the discrete maximum the principle under a suitable CFL condition. Then, we show the convergence of the approximate solution obtained by the combined scheme MFE-FV towards the solution of the coupled problem. The proof of convergence is done in several steps: first we deduce strong convergence of the approximate solution in L2(Q), using L≂ stability, BV estimates and a compactness argument. In the second step we study the decoupled MFE scheme, by giving a convergence result for the pressure and velocity. In the final step, the process of convergence of the approximate solution of the combined scheme MFE-FV towards the exact solution is obtained by passing in the limit and uniqueness of the solution of the continuous problem. Academic and realistic numeric simulations for two-dimensional problems confirm the stability and the effectiveness of the combined scheme. Finally, We analyze a residual error estimator for a convection-diffusion-reaction equation discretized by a semi-implicit finite volume. We introduce two kinds of indicators. The first is local in time and space and constitutes an effective tool for the adaptation of the grid to each time step. The second is total in space but local in time and can be used for the adaptation in time. The error estimators with respect to both time and space yield global upper and local lower bounds on the error measured in the energy norm. Numerical results of adaptations of grid are presented and show the effectiveness of the method. The software part of this work concerns two shutters. The first allowed to carry out an IMPES simulator, MFlow, written in C++, for the simulation of the system of miscible flows considered in this thesis. The second shutter relates to the collaboration with a group of researchers for the development of the Homogenizer++ platform realized within the framework of the GDR MoMaS (http://momas.univ-lyon1.fr/).; Dans cette thèse, nous nous intéressons à des méthodes numériques pour un modèle d'écoulements incompressibles et miscibles ayant des application dans l'hydrogéologie et l'ingénierie pétrolière. Nous étudions et analysons un schéma numérique combinant une méthode d'éléments finis mixtes (EFM) et une méthode des volumes finis (VF) pour approcher le système couplé entre une équation elliptique (pression-vitesse) et une équation de convection-diffusion-réaction (concentration). Le schéma VF considérée est de type "vertex centred" semi-implicite en temps : explicite pour la convection et implicite pour la diffusion. On utilise un schéma de Godunov pour approcher le terme convectif et une approximation élément fini P1 pour le terme de diffusion. Nous montrons des résultats de stabilité L≂ estimations BV et le principe du maximum discret sous une condition CFL appropriée. Ensuite, nous montrons la convergence de la solution approchée obtenue par le schéma combiné EFM-VF vers la solution du problème couplé. La démonstration de la convergence se fait en plusieurs étapes : premièrement, on déduit la convergence forte de la solution approchée de la concentration dans L2(Q), en utilisant la stabilité L≂, les estimations BV et des arguments de compacité. Dans l'étape suivante, on étudie le schéma découplé EFM, en donnant des résultats de convergence pour la pression et la vitesse. Enfin, le processus de convergence de la solution approchée du schéma combiné EFM-VF vers la solution exacte est obtenu par passage à la limite et par unicité de solution pour le problème continu. Des simulations numériques académiques et réalistes pour des problèmes bidimensionnels confirment la stabilité et l'efficacité du schéma combiné. Enfin, nous étudions des estimateurs d'erreur a posteriori de type résiduel pour une équation de convection-diffusion-réaction discrétisée par un schéma VF "vertex centred" semi-implicite en temps. Nous introduisons deux sortes d'indicateurs. Le premier est local en temps et en espace et constitue un outil efficace pour l'adaptation du maillage à chaque pas de temps. Le second est global en espace mais local en temps et peut être utilisé pour l'adaptation en temps. Nous montrons que l'estimateur est une borne supérieure de l'erreur. Des résultats numériques d'adaptations de maillage sont présentés et montrent l'efficacité de la méthode. La partie logiciels de ce travail porte sur deux volets. Le premier a permis de réaliser un code de calcul 2D, MFlow, écrit en C++, pour la résolution du système des écoulements miscibles considérés dans cette thèse. Le second volet concerne la collaboration avec un groupe de chercheurs pour l'élaboration de la plate-forme Homogenizer++ réalisée dans le cadre du GDR MoMaS (http://momas.univ-lyon1.fr/).

In this thesis, we are interested in numerical methods for a model of incompressible and miscible flows having application in hydrogeology and oil engineering. We study and analyze a numerical scheme combining a mixed finite element method (MFE) and a finite volumes method (FV) to discretize the coupled system between an elliptic equation (pressure-velocity) and a convection-diffusion-reaction equation (concentration). The FV scheme considered is "vertex centered" type semi-implicit in time: explicit for the convection and implicit for the diffusion. We use a Godunov scheme to approach the convectif term and a P1 finite element approximation for the diffusion term. We prove that the FV scheme is L≂ and BV stable and satisfy the discrete maximum the principle under a suitable CFL condition. Then, we show the convergence of the approximate solution obtained by the combined scheme MFE-FV towards the solution of the coupled problem. The proof of convergence is done in several steps: first we deduce strong convergence of the approximate solution in L2(Q), using L≂ stability, BV estimates and a compactness argument. In the second step we study the decoupled MFE scheme, by giving a convergence result for the pressure and velocity. In the final step, the process of convergence of the approximate solution of the combined scheme MFE-FV towards the exact solution is obtained by passing in the limit and uniqueness of the solution of the continuous problem. Academic and realistic numeric simulations for two-dimensional problems confirm the stability and the effectiveness of the combined scheme. Finally, We analyze a residual error estimator for a convection-diffusion-reaction equation discretized by a semi-implicit finite volume. We introduce two kinds of indicators. The first is local in time and space and constitutes an effective tool for the adaptation of the grid to each time step. The second is total in space but local in time and can be used for the adaptation in time. The error estimators with respect to both time and space yield global upper and local lower bounds on the error measured in the energy norm. Numerical results of adaptations of grid are presented and show the effectiveness of the method. The software part of this work concerns two shutters. The first allowed to carry out an IMPES simulator, MFlow, written in C++, for the simulation of the system of miscible flows considered in this thesis. The second shutter relates to the collaboration with a group of researchers for the development of the Homogenizer++ platform realized within the framework of the GDR MoMaS (http://momas.univ-lyon1.fr/).; Dans cette thèse, nous nous intéressons à des méthodes numériques pour un modèle d'écoulements incompressibles et miscibles ayant des application dans l'hydrogéologie et l'ingénierie pétrolière. Nous étudions et analysons un schéma numérique combinant une méthode d'éléments finis mixtes (EFM) et une méthode des volumes finis (VF) pour approcher le système couplé entre une équation elliptique (pression-vitesse) et une équation de convection-diffusion-réaction (concentration). Le schéma VF considérée est de type "vertex centred" semi-implicite en temps : explicite pour la convection et implicite pour la diffusion. On utilise un schéma de Godunov pour approcher le terme convectif et une approximation élément fini P1 pour le terme de diffusion. Nous montrons des résultats de stabilité L≂ estimations BV et le principe du maximum discret sous une condition CFL appropriée. Ensuite, nous montrons la convergence de la solution approchée obtenue par le schéma combiné EFM-VF vers la solution du problème couplé. La démonstration de la convergence se fait en plusieurs étapes : premièrement, on déduit la convergence forte de la solution approchée de la concentration dans L2(Q), en utilisant la stabilité L≂, les estimations BV et des arguments de compacité. Dans l'étape suivante, on étudie le schéma découplé EFM, en donnant des résultats de convergence pour la pression et la vitesse. Enfin, le processus de convergence de la solution approchée du schéma combiné EFM-VF vers la solution exacte est obtenu par passage à la limite et par unicité de solution pour le problème continu. Des simulations numériques académiques et réalistes pour des problèmes bidimensionnels confirment la stabilité et l'efficacité du schéma combiné. Enfin, nous étudions des estimateurs d'erreur a posteriori de type résiduel pour une équation de convection-diffusion-réaction discrétisée par un schéma VF "vertex centred" semi-implicite en temps. Nous introduisons deux sortes d'indicateurs. Le premier est local en temps et en espace et constitue un outil efficace pour l'adaptation du maillage à chaque pas de temps. Le second est global en espace mais local en temps et peut être utilisé pour l'adaptation en temps. Nous montrons que l'estimateur est une borne supérieure de l'erreur. Des résultats numériques d'adaptations de maillage sont présentés et montrent l'efficacité de la méthode. La partie logiciels de ce travail porte sur deux volets. Le premier a permis de réaliser un code de calcul 2D, MFlow, écrit en C++, pour la résolution du système des écoulements miscibles considérés dans cette thèse. Le second volet concerne la collaboration avec un groupe de chercheurs pour l'élaboration de la plate-forme Homogenizer++ réalisée dans le cadre du GDR MoMaS (http://momas.univ-lyon1.fr/).