Nouveaux algorithmes de décomposition de domaine espace-temps combinés avec l'algorithme Pararéel

New space-time domain decomposition algorithms combined with the Parareal algorithm

• Auteur / Autrice : Duc Quang Bui
• Direction : Pascal Omnes, Caroline Japhet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 28/06/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Analyse, géométrie et applications (LAGA) (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Yvon Maday
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Halpern, Olga Mula Hernandez, Gabriel Turinici
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Gander, Julien Salomon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations différentielles paraboliques

Relaxation, Méthodes de (mathématiques)

Décomposition (méthode mathématique)

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Pararéel

OSWR

Équations de Stokes

Équations d’Oseen

Parareal

Optimized Schwarz Waveform Relaxation

Stokes equations

Oseen equations

Résumé

Nous étudions dans cette thèse les méthodes de décomposition de domaine spatio-temporelles, en particulier la méthode Pararéele, la méthode de Relaxation d’Ondes Optimisée (OSWR) et leur couplage, appliqués à la simulation numérique des équations paraboliques et des équations de Stokes. Nous proposons et analysons dans un premier temps un couplage de la méthode Pararéel avec la méthode OSWR. La méthode couplée Pararéel- OSWR obtenue est une méthode parallèle, à la fois en temps et en espace, avec seulement peu d’itérations OSWR dans le propagateur fin afin de réduire les coûts de calcul et avec un propagateur grossier classique déduit de la méthode d’Euler implicite. L’analyse de cette méthode couplée est présentée pour une équation d’advection-réaction-diffusion unidimensionnelle. Pour le couplage de Pararéel avec OSWR sans recouvrement, nous prouvons un résultat de convergence général via des estimations d’énergie. Des résultats numériques pour des problèmes d’advection-diffusion bidimensionnels et pour une équation de diffusion avec de fortes hétérogénéités sont présentés, pour illustrer les performances de l’algorithme couplé Pararéel-OSWR. Nous présentons ensuite également un algorithme qui couple Pararéel avec OSWR avec recouvrement, et nous analysons son facteur de convergence en utilisant la convergence linéaire de OSWR avec recouvrement que nous obtenons par une analyse de Fourier. Pour les équations de Stokes, nous présentons un algorithme OSWR bien posé et une estimation d’énergie pour la convergence des vitesses. Ensuite, nous montrons qu’en général, la pression ne converge pas et nous proposons une correction pour remédier à cela. Une stratégie similaire basée sur la transformée de Fourier est effectuée pour obtenir la formulation du facteur de convergence. Des tests numériques suivent pour illustrer les performances de la méthode OSWR avec correction. De plus, ces résultats sont également étendus pour obtenir des résultats similaires sur l’équation d’Oseen. Enfin, nous proposons l’algorithme Pararéel et un couplage Pararéel-OSWR pour les équations de Stokes, et démontrons certaines de leurs propriétés de base

We study in this thesis space-time domain decomposition methods, in particular, the Parareal method, the Optimized Schwarz Waveform Relaxation (OSWR) method and their coupling, applied to the numerical simulation of parabolic equations and of the Stokes equations. We first propose and analyze a coupling of the Parareal method with the OSWR method. The obtained coupled Parareal-OSWR method is a parallel method, both in the time and space directions, with only few OSWR iterations in the fine propagator in order to reduce computational costs and with a simple coarse propagator deduced from the Backward Euler method. The analysis of this coupled method is presented for a one-dimensional advection-reaction-diffusion equation. For the coupling of Parareal with non-overlapping OSWR, we prove a general convergence result via energy estimates. Numerical results for two-dimensional advection-diffusion problems and for a diffusion equation with strong heterogeneities are presented, to illustrate the performance of the coupled Parareal-OSWR algorithm. We then present also an algorithm that couples Parareal with overlapping OSWR, and we analyze its convergence factor by using the linear convergence of overlapping OSWR that we obtain through a Fourier analysis.For the Stokes equations, we present a well-posed OSWR algorithm and an energy estimate for the convergence of the velocities. Then we show that, in general, the pressure does not converge and we propose a correction against this. A similar strategy based on Fourier transform is performed to get the formulation of the convergence factor. Numerical tests follow to illustrate the performance of the OSWR method with correction. In addition, these results are also extended to get similar ones on the Oseen equation. Finally, we propose the Parareal algorithm and a Parareal-OSWR coupling for the Stokes equations, and prove some of their basic properties