Méthodes de décomposition de domaines en temps et en espace pour la résolution de systèmes d’EDOs non-linéaires

par Patrice Linel

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Laurent Lefevre et de Damien Tromeur-Dervout.

Soutenue le 05-07-2011

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale d'Informatique et Mathématiques (Lyon) , en partenariat avec ICJ - Institut Camille Jordan (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Prud'homme.

Le jury était composé de François Delebecque, Bernhard Maschke.

Les rapporteurs étaient Choi-Hong Lai, François-Xavier Roux, Taoufik Sassi.


  • Résumé

    La complexification de la modélisation multi-physique conduit d’une part à devoir simuler des systèmes d’équations différentielles ordinaires et d’équations différentielles algébriques de plus en plus grands en nombre d’inconnues et sur des temps de simulation longs. D’autre part l’évolution des architectures de calcul parallèle nécessite d’autres voies de parallélisation que la décomposition de système en sous-systèmes. Dans ce travail, nous proposons de concevoir des méthodes de décomposition de domaine pour la résolution d’EDO en temps. Nous reformulons le problème à valeur initiale en un problème aux valeurs frontières sur l’intervalle de temps symétrisé, sous l’hypothèse de réversibilité du flot. Nous développons deux méthodes, la première apparentée à une méthode de complément de Schur, la seconde basée sur une méthode de type Schwarz dont nous montrons la convergence pouvant être accélérée par la méthode d’Aitken dans le cadre linéaire. Afin d’accélérer la convergence de cette dernière dans le cadre non-linéaire, nous introduisons les techniques d’extrapolation et d’accélération de la convergence des suites non-linéaires. Nous montrons les avantages et les limites de ces techniques. Les résultats obtenus nous conduisent à développer l’accélération de la méthode de type Schwarz par une méthode de Newton. Enfin nous nous intéressons à l’étude de conditions de raccord non-linéaires adaptées à la décomposition de domaine de problèmes non-linéaires. Nous nous servons du formalisme hamiltonien à ports, issu du domaine de l’automatique, pour déduire les conditions de raccord dans le cadre l’équation de Saint-Venant et de l’équation de la chaleur non-linéaire. Après une étude analytique de la convergence de la DDM associée à ces conditions de transmission, nous proposons et étudions une formulation de Lagrangien augmenté sous l’hypothèse de séparabilité de la contrainte.

  • Titre traduit

    Time and space domain decomposition method for nonlinear ODE


  • Résumé

    Complexification of multi-physics modeling leads to have to simulate systems of ordinary differential equations and algebraic differential equations with increasingly large numbers of unknowns and over large times of simulation. In addition the evolution of parallel computing architectures requires other ways of parallelization than the decomposition of system in subsystems. In this work, we propose to design domain decomposition methods in time for the resolution of EDO. We reformulate the initial value problem in a boundary values problem on the symmetrized time interval, under the assumption of reversibility of the flow. We develop two methods, the first connected with a Schur complement method, the second based on a Schwarz type method for which we show convergence, being able to be accelerated by the Aitken method within the linear framework. In order to accelerate the convergence of the latter within the non-linear framework, we introduce the techniques of extrapolation and of acceleration of the convergence of non-linear sequences. We show the advantages and the limits of these techniques. The obtained results lead us to develop the acceleration of the method of the type Schwarz by a Newton method. Finally we investigate non-linear matching conditions adapted to the domain decomposition of nonlinear problems. We make use of the port-Hamiltonian formalism, resulting from the control field, to deduce the matching conditions in the framework of the shallow-water equation and the non-linear heat equation. After an analytical study of the convergence of the DDM associated with these conditions of transmission, we propose and study a formulation of augmented Lagrangian under the assumption of separability of the constraint.


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