Thèse en cours

Optimisation de flux numériques dans une méthode de décomposition de domaines de type Trefftz pour l'électromagnétisme : approche traditionnelle ou intelligence artificielle ?

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Auteur / Autrice : Matthias Rivet
Direction : Sébastien TordeuxSébastien Pernet
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Mathématiques
Date : Inscription en doctorat le 29/08/2022
Etablissement(s) : Pau
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications de Pau

Résumé

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Dans le cadre du projet Itermaxwell (E2S-UPPA/ONERA) et de la thèse de Margot Sirdey [1, 2, 3], nous développons le nouveau solveur GoTEM3 basé sur une approche de Trefftz. Cette dernière consiste en l'utilisation de fonctions de base qui sont solutions locales ou quasi-solutions des équations de Maxwell. Ce choix permet de contrôler le phénomène de pollution numérique, de limiter le nombre de degrés de liberté et de construire une formulation faible définie uniquement sur le squelette du maillage. De plus, contrairement aux schémas de discrétisation classiques en électromagnétisme, cette méthode est intrinsèquement adaptée à une résolution itérative grâce à des propriétés de contraction intrinsèques et des préconditionneurs naturels. Nous avons ensuite couplé la méthode Trefftz à un solveur algébrique de type Krylov (GMRES) et avons ainsi drastiquement réduit le coût (en mémoire d'un facteur 1000, en temps de calcul et financièrement car cela évite l'utilisation d'un supercalculateur) de résolution de la propagation dans de grands domaines : un environnement de 100 longueurs d'onde peut maintenant être simulé avec seulement 43 Gb de mémoire. Notre objectif est de réussir ce type de résolution sur un ordinateur portable. Pour atteindre cet objectif, ce projet de thèse sera articulé autour des axes de recherche suivants : - Solveur local rapide : dans une méthode (quasi-)Trefftz, la construction des fonctions de base nécessite la résolution dans chaque cellule des équations de Maxwell pour de nombreux seconds membres. Pour cela, différents solveurs peuvent être utilisés : différences finies, éléments finis, Galerkin Discontinu. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier l'approche par différences spectrales qui fonctionne extrêmement bien par exemple en Mécanique des Fluides Numérique [4]. Elle consiste en la recherche de la solution des équations fortes sous la forme de polynômes par morceaux en résolvant un problème de Riemann pour les flux à l'interface, rendant cette approche conservative et peu coûteuse. L'objectif est de réaliser la dérivation ainsi que l'analyse théorique et numérique de ce type de méthode pour les équations de Maxwell harmoniques. - Optimisation du transfert d'informations : la méthode de Trefftz est une méthode de décomposition de domaines naturelle qui est fondée sur une approximation des opérateurs de transmission/réflexion pour le transfert d'informations entre les domaines. Ces derniers ont un impact sur le nombre d'itérations nécessaires au solveur itératif pour converger à une certaine précision. Nous souhaitons étudier deux manières d'améliorer la qualité de ces approximations : 1/ une approche classique consistant à utiliser des approximations d'opérateurs de transfert non-locaux basés sur des formulations intégrales 2/ Il semble possible, en autorisant cet opérateur à changer au cours des itérations, d'utiliser des algorithmes d'intelligence artificielle [5] pour obtenir des opérateurs locaux optimaux. - Intégration au solveur GoTEM3 : l'objectif est de mettre en musique les ingrédients développés en parties 1 et 2 en proposant une implémentation robuste et optimisée, ainsi que de mener une fine évaluation des performances de la méthode sur des domaines de calcul complexes (grands et hétérogènes). [1] Margot Sirdey, Méthode de type Trefftz pour la simulation de la propagation électromagnétique à haute fréquence, thèse, 2019-2022. [2] H.S. Fure, S. Pernet, M. Sirdey, S. Tordeux, A discontinuous Galerkin Trefftz type method for solving the two dimensional Maxwell equations.SN Partial Differ. Equ. Appl., 1-25, 4(2020). [3]S. Pernet, M. Sirdey, S. Tordeux, Ultra-weak variational formulation for the heterogeneous Maxwell problem in the context of high performance computing,25 pages,2022. [4] A. Veilleux, G. Puigt, H. Deniau, G. Daviller, Stable Spectral Difference Approach Using Raviart Thomas Elements for 3D Computations on Tetrahedral Grids. Journal of Scientific Computing,91(1), 1-22, (2022). [5] B. Després and H; Jourdren, Machine Learning design of Volume of Fluid schemes for compressible flows, JCP 2020