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This document is a synthesis of a set of works concerning the development and the analysis of finite volume methods used for the numerical approximation of partial differential equations (PDEs) stemming from physics. In the first part, the document deals with colocalized Godunov type schemes for the Maxwell and wave equations, with a study on the loss of accuracy of this scheme at low Mach number. In the second part, discrete differential operators are built on fairly general, in particular very distorted or nonconforming, bidimensional meshes. These operators are used to approach the solutions of PDEs modelling diffusion, electro and magnetostatics and electromagnetism by the discrete duality finite volume method (DDFV) on staggered meshes. The third part presents the numerical analysis and some a priori as well as a posteriori error estimations for the discretization of the Laplace equation by the DDFV scheme. The last part is devoted to the order of convergence in the L^2 norm of the finite volume approximation of the solution of the Laplace equation in one dimension and on meshes with orthogonality properties in two dimensions. Necessary and sufficient conditions, relatively to the mesh geometry and to the regularity of the data, are provided that ensure the second-order convergence of the method.; Ce document synthétise un ensemble de travaux portant sur le développement et l'analyse de méthodes de volumes finis utilisées pour l'approximation numérique d'équations aux dérivées partielles issues de la physique. Le mémoire aborde dans sa première partie des schémas colocalisés de type Godunov d'une part pour les équations de l'électromagnétisme, et d'autre part pour l'équation des ondes acoustiques, avec une étude portant sur la perte de précision de ce schéma à bas nombre de Mach. La deuxième partie est consacrée à la construction d'opérateurs différentiels discrets sur des maillages bidimensionnels relativement quelconques, en particulier très déformés ou encore non-conformes, et à leur utilisation pour la discrétisation d'équations aux dérivées partielles modélisant des phénomènes de diffusion, d'électrostatique et de magnétostatique et d'électromagnétisme par des schémas de type volumes finis en dualité discrète (DDFV) sur maillages décalés. La troisième partie aborde ensuite l'analyse numérique et les estimations d'erreur a priori et a posteriori associées à la discrétisation par le schéma DDFV de l'équation de Laplace. La quatrième et dernière partie est consacrée à la question de l'ordre de convergence en norme L^2 de la solution numérique du problème de Laplace, issue d'une discrétisation volumes finis en dimension un et en dimension deux sur des maillages présentant des propriétés d'orthogonalité. L'étude met en évidence des conditions nécessaires et suffisantes relatives à la géométrie des maillages et à la régularité des données du problème afin d'obtenir la convergence à l'ordre deux de la méthode.

The direct numerical simulation (DNS) at high Reynolds number of fluid behavior described by the Navier-Stokes equations is particularly costly, if not impossible, since the mesh cells and time step sizes must be adapted to the smallest scales of fluctuations in the velocity and pressure fields that have an impact on the solution. For this reason, techniques such as the large eddy simulation method (LES)are used where the entire scale range is not solved, but the effect of the smallest scales on the resolved scales are modeled. In this thesis, we are interested in the Smagorinksy model, one of the simplest and most widely used among the LES models. This model expresses the effect of the small scales through an additional diffusion term, whose turbulent viscosity coefficient is a function of the resolved scales. We consider this model for the time dependent Navier-Stokes problem in dimension two and for the stationary Navier-Stokes problem in dimensions two and three.These problems are analyzed by introducing the equivalent variational formulations. Then, the corresponding discrete problems based on the finite element method for space discretization and on Euler’s scheme for time discretization are introduced. An a posteriori estimate that measures the error between the solution of the original Navier-Stokes system and the discrete computed solution is established. This estimate only depends on the calculated solution, the geometry of the mesh and the data of the problem ;three types of error indicators are involved : the first is related to the space discretization, the second to the filtering of the LES method and the third to time discretization in the time dependent case and to linearization in the stationary case. Finally, numerical investigations are shown where the whole process is implemented with the FreeFem++ software.; La simulation numérique directe (DNS) à nombre de Reynolds élevé du comportement d’un fluide décrit par les équations de Navier-Stokes est particulièrement coûteuse, voire impossible, puisque les tailles de maille et de pas de temps doivent être adaptées aux plus petites échelles des fluctuations des champs de vitesse et de pression ayant un impact sur la solution. Pour cette raison, on utilise des techniques comme la méthode de simulation des grandes échelles (LES) où l’on n’a pas besoin de résoudre l’intégralité de toutes les échelles, mais où l’effet des plus petites échelles sur les échelles résolues sera modélisé.Dans cette thèse, on s’intéresse au modèle de Smagorinksy, un des modèles les plus simples de LES et parmi les plus utilisés dans les codes de calcul. Il exprime l’effet des petites échelles par un terme de diffusion supplémentaire dont le coefficient de viscosité turbulente est une fonction des échelles résolues.Nous considérons ce modèle pour les équations instationnaires en dimension deux et stationnaires en dimensions deux et trois.On analyse ces problèmes en introduisant les formulations variationnelles équivalentes. Ensuite on introduit les problèmes discrets correspondants en se basant sur la méthode des éléments finis pour la discrétisation en espace et sur le schéma d’Euler pour la discrétisation en temps. On établit une estimation d’erreur a posteriori entre la solution des équations de Navier-Stokes originelles et la solution discrète calculée. Cette estimation ne dépend que de la solution discrète calculée, de la géométrie du maillage et des données du problème ; elle fait apparaître trois types d’indicateurs d’erreur : de discrétisation en espace, de filtrage dû à la méthode LES et de discrétisation en temps dans la cas instationnaire ou de linéarisation dans le cas stationnaire. Enfin, on montre des résultats numériques de validation où l’ensemble est implémenté à l’aide du logiciel FreeFem++.

The direct numerical simulation (DNS) at high Reynolds number of fluid behavior described by the Navier-Stokes equations is particularly costly, if not impossible, since the mesh cells and time step sizes must be adapted to the smallest scales of fluctuations in the velocity and pressure fields that have an impact on the solution. For this reason, techniques such as the large eddy simulation method (LES)are used where the entire scale range is not solved, but the effect of the smallest scales on the resolved scales are modeled. In this thesis, we are interested in the Smagorinksy model, one of the simplest and most widely used among the LES models. This model expresses the effect of the small scales through an additional diffusion term, whose turbulent viscosity coefficient is a function of the resolved scales. We consider this model for the time dependent Navier-Stokes problem in dimension two and for the stationary Navier-Stokes problem in dimensions two and three.These problems are analyzed by introducing the equivalent variational formulations. Then, the corresponding discrete problems based on the finite element method for space discretization and on Euler’s scheme for time discretization are introduced. An a posteriori estimate that measures the error between the solution of the original Navier-Stokes system and the discrete computed solution is established. This estimate only depends on the calculated solution, the geometry of the mesh and the data of the problem ;three types of error indicators are involved : the first is related to the space discretization, the second to the filtering of the LES method and the third to time discretization in the time dependent case and to linearization in the stationary case. Finally, numerical investigations are shown where the whole process is implemented with the FreeFem++ software.; La simulation numérique directe (DNS) à nombre de Reynolds élevé du comportement d’un fluide décrit par les équations de Navier-Stokes est particulièrement coûteuse, voire impossible, puisque les tailles de maille et de pas de temps doivent être adaptées aux plus petites échelles des fluctuations des champs de vitesse et de pression ayant un impact sur la solution. Pour cette raison, on utilise des techniques comme la méthode de simulation des grandes échelles (LES) où l’on n’a pas besoin de résoudre l’intégralité de toutes les échelles, mais où l’effet des plus petites échelles sur les échelles résolues sera modélisé.Dans cette thèse, on s’intéresse au modèle de Smagorinksy, un des modèles les plus simples de LES et parmi les plus utilisés dans les codes de calcul. Il exprime l’effet des petites échelles par un terme de diffusion supplémentaire dont le coefficient de viscosité turbulente est une fonction des échelles résolues.Nous considérons ce modèle pour les équations instationnaires en dimension deux et stationnaires en dimensions deux et trois.On analyse ces problèmes en introduisant les formulations variationnelles équivalentes. Ensuite on introduit les problèmes discrets correspondants en se basant sur la méthode des éléments finis pour la discrétisation en espace et sur le schéma d’Euler pour la discrétisation en temps. On établit une estimation d’erreur a posteriori entre la solution des équations de Navier-Stokes originelles et la solution discrète calculée. Cette estimation ne dépend que de la solution discrète calculée, de la géométrie du maillage et des données du problème ; elle fait apparaître trois types d’indicateurs d’erreur : de discrétisation en espace, de filtrage dû à la méthode LES et de discrétisation en temps dans la cas instationnaire ou de linéarisation dans le cas stationnaire. Enfin, on montre des résultats numériques de validation où l’ensemble est implémenté à l’aide du logiciel FreeFem++.