Space-Time Discretization of Elasto-Acoustic Wave Equation in Polynomial Trefftz-DG Bases - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2018

Space-Time Discretization of Elasto-Acoustic Wave Equation in Polynomial Trefftz-DG Bases

Discrétisation Espace-Temps d'Équations d'Ondes Élasto-Acoustiques dans des Bases Trefftz-DG Polynomiales

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Abstract

Discontinuous Finite Element Methods (DG FEM) have proven flexibility and accuracy for solving wave problems in complex media. However, they require a large number of degrees of freedom, which increases the corresponding computational cost compared with that of continuous finite element methods. Among the different variational approaches to solve boundary value problems, there exists a particular family of methods, based on the use of trial functions in the form of exact local solutions of the governing equations. The idea was first proposed by Trefftz in 1926, and since then it has been further developed and generalized. A Trefftz-DG variational formulation applied to wave problems reduces to surface integrals that should contribute to decreasing the computational costs.Trefftz-type approaches have been widely used for time-harmonic problems, while their implementation for time-dependent simulations is still limited. The feature of Trefftz-DG methods applied to time-dependent problems is in the use of space-time meshes. Indeed, standard DG methods lead to the construction of a semi-discrete system of ordinary differential equations in time which are integrated by using an appropriate scheme. But Trefftz-DG methods applied to wave problems lead to a global matrix including time and space discretizations which is huge and sparse. This significantly hampers the deployment of this technology for solving industrial problems.In this work, we develop a Trefftz-DG framework for solving mechanical wave problems including elasto-acoustic equations. We prove that the corresponding formulations are well-posed and we address the issue of solving the global matrix by constructing an approximate inverse obtained from the decomposition of the global matrix into a block-diagonal one. The inversion is then justified under a CFL-type condition. This idea allows for reducing the computational costs but its accuracy is limited to small computational domains. According to the limitations of the method, we have investigated the potential of Tent Pitcher algorithms following the recent works of Gopalakrishnan et al. It consists in constructing a space-time mesh made of patches that can be solved independently under a causality constraint. We have obtained very promising numerical results illustrating the potential of Tent Pitcher in particular when coupled with a Trefftz-DG method involving only surface terms. In this way, the space-time mesh is composed of elements which are 3D objects at most. It is also worth noting that this framework naturally allows for local time-stepping which is a plus to increase the accuracy while decreasing the computational burden.
Les méthodes d'éléments finis de type Galerkine discontinu (DG FEM) ont démontré précision et efficacité pour résoudre des problèmes d'ondes dans des milieux complexes. Cependant, elles nécessitent un très grand nombre de degrés de liberté, ce qui augmente leur coût de calcul en comparaison du coût des méthodes d'éléments finis continus. Parmi les différentes approches variationnelles pour résoudre les problèmes aux limites, se distingue une famille particulière, basée sur l'utilisation de fonctions tests qui sont des solutions locales exactes des équations à résoudre. L'idée vient de E.Trefftz en 1926 et a depuis été largement développée et généralisée. Les méthodes variationnelles de type Trefftz-DG appliquées aux problèmes d'ondes se réduisent à des intégrales de surface, ce qui devrait contribuer à réduire les coûts de calcul.Les approches de type Trefftz ont été largement développées pour les problèmes harmoniques, mais leur utilisation pour des simulations en domaine transitoire est encore limitée. Quand elles sont appliquées dans le domaine temporel, les méthodes de Trefftz utilisent des maillages qui recouvrent le domaine espace-temps. C'est une des paraticularités de ces méthodes. En effet, les méthodes DG standards conduisent à la construction d'un système semi-discret d'équations différentielles ordinaires en temps qu'on intègre avec un schéma en temps explicite. Mais les méthodes de Trefftz-DG appliquées aux problèmes d'ondes conduisent à résoudre une matrice globale, contenant la discrétisation en espace et en temps, qui est de grande taille et creuse. Cette particularité gêne considérablement le déploiement de cette technologie pour résoudre des problèmes industriels.Dans ce travail, nous développons un environnement Trefftz-DG pour résoudre des problèmes d'ondes mécaniques, y compris les équations couplées de l'élasto-acoustique. Nous prouvons que les formulations obtenues sont bien posées et nous considérons la difficulté d'inverser la matrice globale en construisant un inverse approché obtenu à partir de la décomposition de la matrice globale en une matrice diagonale par blocs. Cette idée permet de réduire les coûts de calcul mais sa précision est limitée à de petits domaines de calcul. Etant données les limitations de la méthode, nous nous sommes intéressés au potentiel du "Tent Pitcher", en suivant les travaux récents de Gopalakrishnan et al. Il s'agit de construire un maillage espace-temps composé de macro-éléments qui peuvent être traités indépendamment en faisant une hypothèse de causalité. Nous avons obtenu des résultats préliminaires très encourageants qui illustrent bien l'intérêt du Tent Pitcher, en particulier quand il est couplé à une méthode de Trefftz-DG formulée à partir d'intégrales de surface seulement. Dans ce cas, le maillage espace-temps est composé d'éléments qui sont au plus de dimension 3. Il est aussi important de noter que ce cadre se prête à l'utilisation de pas de temps locaux ce qui est un plus pour gagner en précision avec des coûts de calcul réduits.
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tel-01953740 , version 1 (13-12-2018)

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  • HAL Id : tel-01953740 , version 1

Cite

Elvira Shishenina. Space-Time Discretization of Elasto-Acoustic Wave Equation in Polynomial Trefftz-DG Bases. Numerical Analysis [math.NA]. Université de Pau et des Pays l'Adour, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01953740⟩
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