Conservative numerical schemes for high-frequency wave propagation in heterogeneous media

par Joan Staudacher

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Didier Clouteau.

Le président du jury était Marc Bonnet.

Le jury était composé de Didier Clouteau, Bruno Lombard, Radjesvarane Alexandre, Eric Savin.

  • Titre traduit

    Schémas numériques conservatifs pour la propagation d’ondes hautes fréquences en milieux hétérogènes


  • Résumé

    Le présent travail porte sur la résolution numérique de l’équation des ondes acoustiques ou élastiques dans un milieu homogène par morceaux comportant des interfaces. On s’intéresse à un problème haute fréquence, introduit par des conditions initiales fortement oscillantes, pour lequel on détermine la répartition de la densité d’énergie dans le milieu par une approche dite cinétique (fondée sur l’utilisation d’une transformation de Wigner). Le problème considéré est alors réduit à une équation de transport en milieu homogène du type Liouville, complétée par des lois de réflexion et transmission aux interfaces. Différentes méthodes de résolution et d’autres cas d’application sont par ailleurs évoquées. La résolution numérique de l’équation de transport décrivant l’évolution de la densité d’énergie dans l’espace des phases positions vecteurs d’onde est effectuée par différences finies. Cette technique soulève plusieurs difficultés relatives à la conservation de l’énergie totale dans le milieu et aux interfaces. Elles peuvent être corrigées par des schémas numériques adaptés permettant de limiter la dissipation numérique par une approche globale ou locale. Les développements réalisés concernent l’interpolation des densités d’énergie obtenues par transmission sur la grille des vecteurs d’onde discrets, ainsi que la correction de la différence d’échelle de variation de la vitesse des ondes de part et d’autre des interfaces. L’intérêt de ces adaptations est d’obtenir des schémas conservatifs qui satisfont les critères de convergence usuels des méthodes aux différences finies. Leur construction ainsi que leur mise en œuvre effective constituent le principal apport de cette thèse. La pertinence des méthodes utilisées est illustrée par des exemples de simulation, qui montrent également leur efficacité pour des maillages relativement grossiers.


  • Résumé

    The present work focuses on the numerical resolution of the acoustic or elastic wave equation in a piece-wise homogeneous medium, splitted by interfaces. We are interested in a high-frequency setting, introduced by strongly oscillating initial conditions, for which one computes the distribution of the energy density by a so-called kinetic approach (based on the use of a Wigner transform). This problem then reduces to a Liouville-type transport equation in a piece-wise homogeneous medium, supplemented by reflection and transmission laws at the interfaces. Several numerical techniques and ranges of application are also reviewed. The transport equation which describes the evolution of the energy density in the phase space positions _ wave vectors is numerically solved by finite differences. This technique raises several difficulties related to the conservation of the total energy in the medium and at the interfaces. They may be alleviated by dedicated numerical schemes allowing to reduce the numerical dissipation by either a global or a local approach. The improvements presented in this thesis concern the interpolation of the energy densities obtained by transmission on the grid of discrete wave vectors, and the correction of the difference of variation scales of the wave celerity on each side of the interfaces. The interest of the foregoing developments is to obtain conservative schemes that also satisfy the usual convergence properties of finite difference methods. The construction of such schemes and their effective implementation constitute the main achievement of the thesis. The relevance of the proposed methods is illustrated by several numerical simulations, that also emphasize their efficiency for rather coarse meshes.


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