III.3 R´esolution num´erique du probl`eme discret
III.3.2 Equations de Navier-Stokes
Dans cette partie, nous pr´esentons diff´erentes m´ethodes pour r´esoudre le probl`eme (III.51) ´ecrit
sous la forme M U − Un ∆t ! + A(Un)U + BtP = E, BU = G. (III.56)
Tout d’abord, nous d´ecrivons des m´ethodes connues comme la m´ethode du Lagrangien aug-ment´e [45] et la m´ethode de projection incr´ementale [54]. La premi`ere, qui est une m´ethode it´erative, est plus pr´ecise mais plus coˆuteuse en temps calcul que la seconde o`u seulement trois ´equations sont r´esolues. Enfin, nous proposons une m´ethode de p´enalit´e-projection qui est plus pr´ecise que la m´e-thode de projection incr´ementale et moins coˆuteuse en temps calcul que la m´ethode du Lagrangien augment´e (voir [64] pour plus de d´etails sur cette m´ethode, ainsi que pour des comparaisons entre les diff´erents algorithmes). Nous comparerons num´eriquement l’impact des diff´erentes m´ethodes sur la conservation du volume des phases et sur les vitesses de mont´ee d’une bulle dans un liquide dans le paragraphe III.3.2.d.
III.3.2.a M´ethode du Lagrangien augment´e
Dans l’algoritme d’Uzawa avec Lagrangien augment´e, on effectue une boucle interne dans chaque pas de temps, jusqu’`a avoir la contrainte
BU = G (III.57)
v´erifi´ee. L’algorithme est le suivant
´etape 0 : initialisation avec (U(0), P(0)) = (Un, Pn) ´etape k + 1 : (U(k), P(k)) donn´es par l’´etape k.
Calculer (U(k+1), P(k+1)) solution de M U (k+1) − Un ∆t ! + A(Un)U(k+1)+ BTP(k)+ rBTM−1p (BU(k+1)− G) = E, P(k+1) = P(k)+ ρ(BU(k+1)− G). On pose alors U = U(κ+1) P = P(κ+1)
o`u κ est la premi`ere valeur de k satisfaisant le crit`ere de convergence suivant
BU(k+1)− G < .
La matrice Mp apparaissant dans cet algorithme est la matrice masse de pression d´efinie par [Mp]IJ =
Z Ω
πIπJdx pour I, J ∈ {1, ..., Np}.
Pour simplifier le calcul de M−1p , on approche la matrice Mp par la matrice ”lump´ee”, Mp`d´efinie par [Mp`]IJ = X 0≤K≤Np [Mp]IK δIJ pour 0 ≤ I, J ≤ Np.
III.3. R´esolution num´erique du probl`eme discret
Nous utilisons comme pr´ec´edemment le solveur direct propos´e par UMFPACK [30] pour r´e-soudre le syst`eme. La factorisation de la matrice est faite seulement `a la premi`ere it´eration de l’algorithme d’Uzawa.
Un crit`ere suffisant de convergence est 0 < ρ < 2r [45]. Nous prendrons r = ρ et l’algorithme est not´e AL dans la suite.
III.3.2.b M´ethode de projection incr´ementale
La m´ethode de projection incr´ementale se d´ecompose en trois ´etapes [54].
On calcule tout d’abord une pr´ediction de vitesse, not´ee eU, qui ne v´erifie pas la contrainte (III.57) d’incompressibilit´e. Ensuite, en utilisant eU, on r´esout l’´equation v´erifi´ee par l’incr´ement de pression Φ = P − Pn. Puis, on corrige la vitesse pour avoir la contrainte (III.57) satisfaite. Pr´ecis´ement, l’algorithme s’´ecrit
´etape 1 : pr´ediction de vitesse, calcul de eU M U − Ue n
∆t !
+ A(Un) eU + BTPn= E, (III.58) ´etape 2 : calcul de Φ = P − Pn via l’´equation
∆tBM−1BTΦ = B eU − G, (III.59)
´etape 3 : calcul de la vitesse U
M U − eU ∆t
!
+ BTΦ = 0. (III.60)
On remarque qu’aucune it´eration interne n’est effectu´ee et que l’approximation (U, P) obtenue n’est pas la solution du probl`eme coupl´e (III.56). Cette m´ethode est donc moins pr´ecise que la m´ethode du Lagrangien augment´e, car elle introduit une erreur suppl´ementaire dite de fractionne-ment.
La difficult´e de la r´esolution de l’´equation (III.59) est l’inversion des matrices M et BM−1BT. Afin d’´eviter le calcul de M−1, deux strat´egies ont ´et´e envisag´ees. La premi`ere est d’approcher la matrice masse de la vitesse par la matrice lump´ee, not´ee Ml. On remplace alors dans les ´equations (III.58)-(III.60) M par Ml. Le nouvel algorithme sera not´e IPMl dans la suite.
Par contre, cette approche ne peut pas ˆetre utilis´ee dans tous les cas car pour certaines aproxi-mations de la vitesse, par exemple pour l’´el´ement P2, la somme des termes des lignes dans la matrice masse est nulle. Dans ces cas, on approche la matrice BM−1BT par L l’op´erateur discret associ´e `a un probl`eme de Poisson avec des conditions de Dirichlet homog`enes sur Γu
τ et des condi-tions de Neumann homog`enes sur Γu
D ∪ Γu
t. Pour ´eviter des difficult´es pratiques dans la mise en œuvre du processus d’assemblage (par exemple l’´elimination dans le syst`eme lin´eaire des degr´es de libert´e de φh = ph− pn
h associ´es `a des nœuds de pression situ´es sur Γu
τ conduirait `a des vecteurs de tailles diff´erentes pour Φ et P), les conditions de Dirichlet au bord sont impos´ees par p´enalisation [53, 64]. La matrice L est alors d´efinie par
[L]IJ = Z Ω 1 %∇πI · ∇πJdx + Z Γu τ απIπJds, 0 ≤ I, J ≤ Np, o`u α est un coefficient de p´enalisation (en pratique nous prenons α = 108).
´etape 1 : pr´ediction de vitesse
M U − Ue n ∆t
!
+ A(Un) eU + BTPn= E, ´etape 2 : calcul de Φ = P − Pn via l’´equation
∆tLΦ = B eU − G, ´etape 3 : calcul de la vitesse U
M U − eU ∆t
!
+ BTΦ = 0.
Comme on approche la matrice BM−1BT par L, la contrainte (III.57) n’est plus v´erifi´ee. Nous montrerons sur un exemple num´erique dans le paragraphe III.3.2.d, que dans ce cas le volume des phases n’est pas conserv´e.
Dans la premi`ere et la troisi`eme ´etape de l’algorithme, les syst`emes sont r´esolus par le solveur direct d’UMFPACK [30]. Pour le calcul de Φ, nous utilisons une m´ethode de Gradient Conjugu´e avec un pr´econditionnement de Jacobi. L’utilisation pour cette ´etape d’un solveur direct n’est pas possible lorsque la vitesse v´erifie des conditions de Dirichlet sur tous les bords car la pression n’est d´efinie qu’`a une constante pr`es.
III.3.2.c M´ethode de p´enalit´e-projection
L’id´ee pour cette variante de m´ethode de projection [64], est d’introduire le terme d’augmentation rBTM−1p`(B eU−G) de l’algorithme d’Uzawa AL dans l’´etape de pr´ediction de la vitesse. La premi`ere ´etape devient alors
M U − Ue n ∆t
!
+ A(Un) eU + BTPn+ rBTM−1p`(B eU − G) = E (III.61) Le calcul de la pression est alors modifi´e. Le syst`eme (III.59)-(III.60) est ´equivalent `a
M U − eU ∆t ! + BTΦ = 0, BU = G. (III.62)
Si on somme (III.61) et la premi`ere ´equation du syst`eme (III.62) on obtient M U − Un
∆t !
+ A(Un) eU + BT
Pn+ rM−1p`(B eU − G) + Φ= E.
Pour retrouver le syst`eme (III.56) `a l’approximation pr`es de A(Un)U par A(Un) eU, on doit poser P = Pn+ rM−1p`(B eU − G) + Φ.
Ainsi, la m´ethode de p´enalit´e-projection s’´ecrit ´etape 1 : pr´ediction de vitesse
M U − Ue n ∆t
!
III.3. R´esolution num´erique du probl`eme discret
´etape 2 : calcul de Φ = P − Pn− rM−1p`(B eU − G) via l’´equation ∆tBM−1BTΦ = B eU − G, ´etape 3 : calcul de la vitesse U
M U − eU ∆t
!
+ BTΦ = 0.
Comme pour la m´ethode de projection incr´ementale, pour l’´etape 2, on peut soit approcher la matrice M par une matrice diagonale, on notera alors l’algorithme PPMl, soit approcher la matrice BM−1BT par la matrice L et on appellera cet algorithme PPL.
Cette m´ethode introduit une erreur de fractionnement par rapport `a la m´ethode du Lagrangien augment´e. Le terme d’augmentation de l’´etape de pr´ediction permet d’assurer une prise en compte partielle de la contrainte d’incompressibilit´e d`es l’´etape de pr´ediction de vitesse.
Les solveurs que nous utilisons pour cet algorithme sont les mˆemes que ceux du paragraphe pr´ec´edent.
III.3.2.d Comparaison des m´ethodes de r´esolution
On s’int´eresse `a la mont´ee d’une bulle sph´erique. Le domaine d’´etude est [0; 4. 10−3] × [0; 8. 10−3] (g´eom´etrie 2D cart´esienne) et le rayon de la bulle vaut rb = 7.9 10−4m. Sur les figures III.7 et III.8, on compare les r´esultats obtenus pour les diff´erentes m´ethodes pr´esent´ees pr´ec´edemment. La m´ethode AL ´etant la plus pr´ecise, le calcul obtenu avec cette m´ethode sert de r´ef´erence.
Sur la figure III.7, on remarque que la bulle a la mˆeme forme pour les diff´erentes m´ethodes. Par contre, pour les m´ethodes de projection incr´ementale IPL et IPMl, la vitesse de mont´ee de bulle est beaucoup plus faible que pour les autres m´ethodes. Le terme d’augmentation dans l’´etape de pr´ediction pour les m´ethodes de p´enalit´e-projection r´eduit sensiblement l’erreur de fractionnement. On s’int´eresse maintenant `a la conservation du volume de la bulle. Nous avons vu dans le paragraphe III.2.2.d que pour conserver le volume des phases, on a besoin entre autre que BU = G. Ceci n’est pas v´erifi´e lorsque la matrice BM−1BT est approch´ee par L. Sur la figure III.8, on observe que les m´ethodes PPLet IPL ne conservent pas le volume de la bulle. Lorsqu’on augmente le param`etre r, on remarque sur la figure III.8 (b) que la diminution du volume est r´eduite.
En conclusion, nous utiliserons dans la suite les m´ethodes de p´enalit´e-projection avec r assez grand qui sont moins coˆuteuses en temps calcul que la m´ethode du Lagrangien augment´e et plus pr´ecises que les m´ethodes de projection incr´ementale. Elles repr´esentent donc un bon compromis.
t = 0
AL IPMl IPL
PPL r = 1 PPMl r = 100 PPLr = 100
III.3. R´esolution num´erique du probl`eme discret 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 PSfrag replacemen ts PPMl r = 100 AL PPL r = 100 PPL r = 1 IPL IPMl V /V 0 (a) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t 0.995 1 1.005 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 1 PSfrag replacemen ts PPMl r = 100 AL PPL r = 100 PPL r = 1 IP L IPMl V /V 0 (b)
Fig. III.8 – Evolution en temps du volume V de la bulle normalis´e par le volume initial V0 pour les diff´erentes m´ethodes de r´esolution donn´e `a deux ´echelles diff´erentes