Formulation courants et charges pour la résolution par équations intégrales des équations de l'électromagnétisme

Currents and charges formulation for the numerical solution by integrals equations of equation of electromagnetism

• Auteur / Autrice : Bassam Steif
• Direction : Abderrahmane Bendali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques Appliquées
• Date : Soutenance le 09/07/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur la combustion turbulente
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahmane Bendali, Patrick Laborde, Mohamed Masmoudi, Jean-paul Vila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Bachelot, Martin Costabel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments-frontières, Méthode des

Ondes électromagnétiques -- Diffraction

Mots clés libres

Méthode des éléments de frontière

Equations intégrales de frontière

Equations intégrales courants et charges

Diffraction d’ondes électromagnétiques

Boundary element method

Current and charge equation

Electromagnetic scattering

Boundary integral equation

Résumé

Cette thèse a consisté à élaborer une méthode qui permet de résoudre l’équation intégrale comportant comme inconnues les courants et les charges introduite récemment par Taskinen et Ylä-Oijala par une méthode d’éléments frontière sans aucune contrainte de continuité au niveau des interfaces des éléments aussi bien pour les courants que pour les charges. Nous avons d’abord montré comment on pouvait construire cette équation de façon simple et similaire à celle des formulations intégrales usuelles en imposant au problème intérieur relatif au système de Picard, qui est en fait une extension du système de Maxwell, des conditions aux limites adéquates. Pour des géométries régulières de l’objet diffractant, nous avons établi de façon théorique la stabilité et la convergence des schémas numériques ci-dessus en montrant que cette équation peut être décomposée sous la forme d’un système elliptique coercif et d’un opérateur compact dans le cadre des fonctions de carré intégrable.Toute cette étude a été confirmée par des tests numériques tridimensionnels. Comme pour les équations intégrales usuelles de seconde espèce, le cadre théorique valable pour des surfaces régulières ne l’est plus pour des surfaces avec des singularités. L’utilisation formelle de cette équation,pour des surfaces singulières, a donné des résultats entachés d’erreur. Nous avons mis en évidence l’origine des instabilités numériques à l’origine de ces erreurs lorsque les géométries sont singulières en développant une version bidimensionnelle de cette équation. Cette version nous a permis en particulier de montrer que les instabilités étaient dues à des oscillations parasites concentrées autour des singularités de la géométrie. Dans ce cadre nous avons pu mettre en oeuvre plus aisément des approches pour supprimer ou atténuer ces oscillations parasites ou leur effet sur les calculs en champ lointain. Nous avons montré qu’un procédé d’augmentation des degrés de liberté pour la charge par rapport au courant pouvait sensiblement réduire ces instabilités. A la suite de l’amélioration observée sur les résultats dans le cas 2D, nous avons transposé cette procédure au cas tridimensionnel. A travers divers tests, nous avons constaté l’amélioration de la qualité de l’approximation amenée par la procédure de stabilisation

The objective of this thesis was to develop a method that solves the integral equation whose unknowns are the currents and the charges, recently introduced by Taskinen and Ylä-Oijala, by a boundary element method without any continuity constraint at the interfaces of the elements,for both the unknowns. We first show how to construct this equation in a simple way, similar tothe usual integral formulations, through imposing to the internal problem related to the Picard system,which is an extension of the Maxwell system, appropriate boundary conditions. For regular geometries, we have established a theoretical background ensuring the stability and the convergence of numerical scheme, by proving that this equation can be decomposed in a coercive elliptic and a compact parts in the context of square integrable functions. Our study was validated by three-dimensional numerical tests. In the case of usual integral equations of the second kind, the theoretical background for smooth surfaces is no longer valid when the surfaces is singular. The formal use of this equation for singular surfaces gave erroneous results. We pointed out the origin of numerical instabilities bydeveloping a two-dimensional version of this equation. This version has allowed us to show that the instabilities were due to parasitic oscillations accumulating on the geometrical singularities. In this context, we have implemented some approaches to reduce this parasitic oscillations on the calculations in the far field.We have shown that the method of increasing the freedom degrees for the charges relatively to the current could significantly reduces these instabilities. As a result, we have implemented this procedure in three-dimensional case. Throughout various tests, we noted the improvement on the approximation brough bay to the stabilization procedure