Hybrid finite element methods for seismic wave simulation : coupling of discontinuous Galerkin and spectral element discretizations

par Aurélien Citrain

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Christian Gout et de Hélène Barucq.

Le président du jury était Stéphane Lanteri.

Le jury était composé de Christian Gout, Hélène Barucq, Roland Martin, Henri Calandra, Julien Diaz, Elodie Estecahandy, Sébastien Pernet.

Les rapporteurs étaient Stéphane Lanteri, Roland Martin.

  • Titre traduit

    Méthode d'éléments finis hybride pour la simulation des ondes sismiques : couplage des discrétisations Galerkine discontinue et éléments spectraux


  • Résumé

    Pour résoudre des équations d’ondes posées dans des milieux hétérogènes avec des éléments finis et un coût numérique raisonnable, nous couplons la méthode Discontinue de Galerkine (DGm) avec des éléments finis spectraux (SEm). Nous utilisons des maillages hybrides composés de tétraèdres et d’hexaèdres structurés. Le couplage est réalisé en partant d’une formulation DG mixte primale posée dans un maillage hybride composé d’un macro-élément hexaédrique et d’un sous-maillage composé de tétraèdres. La SEm est appliquée dans le macro-élément découpé en hexaèdres structurés et le couplage est assuré par les flux numériques de la DGm appliqués sur les faces internes du macro-élément communes avec le maillage tétraédrique. La stabilité de la méthode couplée est démontrée quand l’intégration en temps est effectuée avec un schéma Saute-Mouton. Les performances de la méthode couplée sont étudiées numériquement et on montre que le couplage permet de réduire les coûts numériques avec un très bon niveau de précision. On montre aussi que la formulation couplée peut stabiliser la méthode DG appliquée dans des domaines incluant des couches parfaitement adaptées.


  • Résumé

    To solve wave equations in heterogeneous media with finite elements with a reasonable numerical cost, we couple the Discontinuous Galerkin method (DGm) with Spectral Elements method (SEm). We use hybrid meshes composed of tetrahedra and structured hexahedra. The coupling is carried out starting from a mixed-primal DG formulation applied on a hybrid mesh composed of a hexahedral macro-element and a sub-mesh composed of tetrahedra. The SEm is applied in the macro-element paved with structured hexahedrons and the coupling is ensured by the DGm numerical fluxes applied on the internal faces of the macro-element common with the tetrahedral mesh. The stability of the coupled method is demonstrated when time integration is performed with a Leap-Frog scheme. The performance of the coupled method is studied numerically and it is shown that the coupling reduces numerical costs while keeping a high level of accuracy. It is also shown that the coupled formulation can stabilize the DGm applied in areas that include Perfectly Matched Layers.


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