Méthodes numériques adaptives pour la simulation de la dynamique de fronts de réaction multi-échelle en temps et en espace

par Max Pedro Duarte

Thèse de doctorat en Energétique et mathématiques appliquées

Sous la direction de Marc Massot.

Le président du jury était Vincent Giovangigli.

Le jury était composé de Marc Massot, Martin Gander, Willem H. Hundsdorfer, Thierry Poinsot, Jean-Luc Guermond.

Les rapporteurs étaient Martin Gander, Willem H. Hundsdorfer, Thierry Poinsot.


  • Résumé

    Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur.

  • Titre traduit

    Adaptive numerical methods in time and space for the simulation of multi-scale reaction fronts.


  • Résumé

    We tackle the development of a new generation of numerical methods for the solution of time dependent PDEs modeling general time/space multi-scale phenomena issued from various application fields. This type of problem induces well-known numerical restrictions and potentially large stiffness, which stem from the broad spectrum of time scales in the nonlinear chemical terms as well as from steep, spatially very localized, spatial gradients in the reaction fronts. Therefore, dedicated numerical strategies are needed to ensure the accuracy of the numerical approximations from a theoretical point of view, taking also into account adequate practical implementations to reduce computational costs. In order to cope with these problems, this study introduces a few mathematical and numerical elements for the solution of stiff reaction-diffusion systems, extensible in practice to more general configurations. The core of the numerical strategy is thus based on a specially conceived operator splitting method with dedicated high order time integration schemes for each subproblem. An appropriate choice of splitting time steps allows us the simulation of the solution within a prescribed accuracy, according to the overall physics of the problem. The resulting numerical scheme is properly coupled with an adaptive multiresolution technique for dynamic spatial mesh representations of the solution. Such an approach has led to the conception of the academic, generic 1D/2D/3D MBARETE code in order to evaluate the proposed theoretical and numerical developments in practical stiff configurations arising in several research fields. The algorithmic efficiency of the method is assessed by the simulation of propagating stiff reaction waves issued from nonlinear chemical dynamics and from biomedical engineering applications for a brain stroke model with "detailed chemical mechanisms''. Moreover, in order to extend the applicability of the method to more complex and unsteady problems, we consider for the first time a time adaptive splitting scheme for stiff PDEs, that yields dynamic time stepping within the prescribed accuracy. The fully time/space adaptive method allows us then a consistent description of reaction-diffusion-convection problems disclosing a broad spectrum of time/space scales as well as different physical scenarios, such as highly nanosecond repetitively pulsed discharges or self-ignition and propagation of flames for, respectively, plasma and combustion applications. The main goal of this work is hence to numerically solve stiff PDEs with reasonable, standard computational resources and based on a mathematical background that ensures robust, general and accurate numerical schemes. Further studies are also presented that include time parallelization strategies, parallel computing techniques for shared memory architectures and complementary mathematical characterization of splitting schemes.


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