Étude d’une méthode d’éléments finis d’ordre élevé et de son hybridation avec d’autres méthodes numériques pour la simulation électromagnétique instationnaire dans un contexte industriel

par Nicolas Deymier

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Xavier Ferrieres et de Vincent Mouysset.

Le président du jury était Hélène Barucq.

Le jury était composé de Christophe Geuzaine, Nicole Rouvrais.

Les rapporteurs étaient Philippe Helluy, Séraphin Mbduayoueyou Mefire.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’amélioration du schéma de Yee pour traiter demanière plus efficace et pertinente les problèmes industriels auxquels nous sommes confrontés à l’heureactuelle. Pour cela, nous cherchons avant tout à diminuer les erreurs numériques de dispersion et àaméliorer les modélisations des géométries courbes ainsi que des réseaux de câbles. Pour répondre àces besoins, une solution basée sur un schéma Galerkin discontinu pourrait être envisagée. Toutefois,l’utilisation d’une telle technique sur la totalité du volume de calcul est relativement coûteuse. De plus,la prise en compte de structures filaires sur un tel schéma n’est pas encore opérationnelle. C’est pourquoi,dans l’optique d’avoir un outil industriel, et après une étude bibliographique, nous nous sommes plutôtorientés sur l’étude d’un schéma éléments finis (FEM) sur maillage cartésien qui possède toutes lesbonnes propriétés du schéma de Yee. Notamment, à l’ordre d’approximation spatiale égal à 0 ce schémaFEM est exactement le schéma de Yee, et, pour des ordres supérieurs, il permet de réduire fortementl’erreur de dispersion numérique de ce dernier. Dans le travail de cette thèse, pour ce schéma, nous avons notamment donné un critère de stabilité théorique, étudié sa convergence théorique et fait une analyse de l’erreur de dispersion. Pour tenircompte des possibilités d’ordre d’approximation spatiale variable par direction, nous avons mis en placeune stratégie d’affectation des ordres suivant le maillage donné. Ceci nous a permis d’obtenir un pas detemps optimal pour une précision souhaitée tout en réduisant les coûts de calcul. Après avoir porté ceschéma sur des machines de production, différents problèmes de CEM, antennes, IEM ou foudre ont ététraités afin de montrer les avantages et le potentiel de celui-ci. En conclusion de ces expérimentationsnumériques, il s’avère que la méthode est limitée par le manque de précision pour prendre en comptedes géométries courbes. Afin d’améliorer cela, nous avons proposé une hybridation entre ce schéma et leschéma GD que l’on peut étendre aux autres schémas comme les méthodes différences finies (FDTD) etvolumes finis (FVTD). Nous avons montré que la technique d’hybridation proposée conserve l’énergie etest stable sous une condition que nous avons évaluée de manière théorique. Des exemples de validationont ensuite été montrés. Enfin, pour tenir compte des réseaux de câbles, un modèle de fils minces d’ordred’approximation spatiale élevé a été proposé. Malheureusement, celui-ci ne peut pas couvrir l’ensembledes cas industriels et pour remédier à cela, nous avons proposé une hybridation de notre approche avecune équation de ligne de transmission. L’intérêt de cette hybridation a été montré sur un certain nombred’exemples, que nous n’aurions pas pu traiter par un modèle de structure filaire simple.

  • Titre traduit

    Study of a high-order finite element method and its hybridization with order numerical methods for unsteady electromagnetic simulation in an industrial context


  • Résumé

    In this thesis, we study the improvement of the Yee’s scheme to treat efficiently and in arelevant way the industrial issues we are facing nowadays. For that, we first of all try to reduce thenumerical errors of dispersion and then to improve the modeling of the curved surfaces and of theharness networks. To answer these needs, a solution based on a Galerkin Discontinuous (GD) methodhas been first considered. However, the use of such method on the entire modeling volume is quite costly ;moreover the wires are not taken into account in this method. That is the reason why, with the objectiveof an industrial tool and after a large bibliographic research, we headed for the study of finite elementsscheme (FEM) on a Cartesian mesh which has all the good properties of the Yee’s scheme. Especially,this scheme is exactly the Yee’s scheme when the spatial order of approximation is set to zero. Forthe higher orders, this new scheme allows to greatly reduce the numerical error of dispersion. In theframe of this thesis and for this scheme, we give a theoretical criterion of stability, study its theoreticalconvergence and we perform an analysis of the error of dispersion. To take into account the possibilityof the variable spatial orders of approximation in each direction, we put in place a strategy of orderaffectation according to the given mesh. This strategy allows to obtain an optimal time step for a givenselected precision while reducing the cost of the calculations. Once this new scheme has been adaptedto large industrial computing means, different EMC, antennas, NEMP or lightning problems are treatedto demonstrate the advantages and the potential of this scheme. As a conclusion of these numericalsimulations we demonstrate that this method is limited by a lack of precision when taking into accountcurved geometries. To improve the treatment of the curved surfaces, we propose an hybridization between this scheme andthe GD scheme. This hybridization can also be applied to other methods such as Finite Differences(FDTD) or Finite Volumes (FVTD). We demonstrate that the technique of hybridization proposed,allows to conserve the energy and is stable under a condition that we study theoretically. Some examplesare presented for validation. Finally and to take into account the cables, a thin wire model with a highorder of spatial approximation is proposed. Unfortunately, this model does not allow to cover all theindustrial cases. To solve this issue we propose an hybridization with a transmission line method. Theadvantage of this hybridization is demonstrated thanks to different cases which would not have beenfeasible with a more simple thin wire method.


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