Maillages N-simpliciaux et parallélotopes

– Un test de comparaison, basé sur une généralisation du test de validation utilisé dans la Partie I - Section4.2, pris cette fois-ci pour tout polynôme de degréken dimension 2 et 3, – Un test de l’estimateur d’erreur, basé sur une généralisation du test de l’estimateur d’erreur utilisé dans la Partie I - Section4.4, pris cette fois-ci sur un maillage quadrangulaire enQ¹.

Tests de comparaisons

Considérons le problème (1.1) avec une interface plane Γ

⎧⎪⎪⎪⎪

⎪⎨⎪⎪⎪

⎪⎪⎩

div(−K∇u) = f dans Ωin∪Ωex, u = 0 sur∂Ω,

[u] = 0 sur Γ, [K∇ⁿu] = 0 sur Γ.

(6.25)

Les données sont choisies de sorte que la fonction définie par

u(x1, ..., xN)=

⎧⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩ x²₁^k

K_in si x1≤x0

x²₁^k−x²₀^k K_ex +x²₀^k

K_in sinon,

(6.26)

soit une solution exacte pour tout choix du degrékdu polynôme d’approximation, (x1, ..., x_N) ∈ R^N.

Nous fixons x0=0.71 sur Ω=]0,1[^N (N =2 en 2D,N =3 en 3D), K_in=1 etK_ex=1000. Les conditions de bord sont de type Dirichlet, traîtées toujours de manière faible dans la formulation, le second membre de10.15 estf =−4.

(a)Erreur énergie (b) Norme-L²

F ig ur e 6.27 –Courbes de convergence en P^k pour maillage CC

Comme précédemment, nous proposons de comparer la norme énergie (3.12) ainsi que la norme-L² au moyen de leurs courbes de convergence, représentées ci-après pour chaque degré polynomialk, sur un maillage CC (Figure6.27), sur un maillage quadrangulaire cartésien (Figure 6.28) et sur un maillage hexaédrique (Figure6.29), tous uniformément raffinés. Les simulations suivantes ont été effectuées en utilisant la formulation (3.11) pour les paramètres de stabilisation et les κin/ex.

(a)Erreur énergie (b) Norme-L²

F ig ur e 6.28 – Courbes de convergence enQ^k pour maillage quandrangulaire

(a)Courbes de convergence (b) Élévation de la solution et tranche

F ig ur e 6.29 – Résolution en Q^k pour maillage hexaédrique

Nous avons également utilisé le problème 10.15pour tester la robustesse en fonction de la position de l’interface, sur des géométries déformées et pour différents degrés de polynômes k.

Nous sommes arrivés aux mêmes analyses et conclusions que celles obtenues pour le P¹.

Test de l’estimateur d’erreur

Reprenons le problème modèle 6.25, ainsi que la solution exacte7.8 précédents.

Nous avions testé cette simulation pour les maillages triangulaires (en Section 4.4), nous la généralisons ici en proposant de comparer le comportement de l’erreur énergie et celui de l’estimateur sur un raffinement global et uniforme d’un maillage quadrangulaire. Puis à partir d’une procédure adaptative, nous comparons la répartition des cellules en fonction de la méthode utilisée (méthode élément fini classique, méthode NXFEM).

Nous utiliserons pour ce test des méthodes éléments finis de degré 1.

Raffinement uniforme

Pour un raffinement uniforme d’un maillage en quadrilatères (les choix de procédure de raffinement de tels maillages sont détaillés en Introduction - voir1.2.3), nous remarquons que le comportement de convergence de l’estimateur est similaire à celui de l’erreur énergie, comme le montre la Figure 6.30.

Figure 6.30 –Courbes de convergence pour un maillage quadrangulaire uniformément raffiné

Raffinement adaptatif

La solution du problème 6.25 ne comporte pas de singularité en dehors de Γ. Ainsi, si la singularité le long de Γ est bien prise en compte, l’estimateur doit marquer et raffiner seulement les cellules du maillage pour lesquelles la solution présente le plus de variations (la solution étant régulière sur Ωinet Ωex).

Pour une méthode EF classique, la singularité le long de Γ engendre un nombre de raffinements suivant la discontinuité.

Nous aboutissons aux mêmes conclusions que pour les simulations P¹ de la Section 4.4.2 : les Figures 6.31présente un raffinement adaptatif d’un maillage quadrangulaire cartésien, utilisant une méthode élément fini classique. On remarque que la procédure concentre le raffinement autour de la discontinuité (Figure6.31(a)). En effet, la solution n’est pas dansH²(K)pour les mailles K coupées, cela engendre des discontinuités du gradient qui ne sont pas correctement approchées sur les cellules coupées. Les courbes de convergence 6.31(b)confirment cette analyse.

La référence [55] présente cette même simulation avec la méthode XFEM.

En revanche, en utilisant la méthode NXFEM ainsi que l’estimateur (3.17) pour adapter le maillage, les dérivées normales sont correctement approchées sur les éléments coupés, amenant

(a)Maillage (2428 éléments) (b) Courbes de convergence

F ig ur e 6.31 – Raffinement adaptatif avec une méthode EF classique

ainsi le maillage à être uniformément raffiné dans Ωin (comme le montre la Figure6.32(a)). Nous retrouvons les mêmes ordres de convergence (Figure6.32(b)) que pour le raffinement uniforme des maillage triangulaires et quadrangulaires, et que pour le raffinement adaptatif des maillages triangulaires [6]. s

(a)Maillage (2428 éléments) (b) Courbes de convergence

F ig ur e 6.32 –Raffinement adaptatif avec NXFEM

6.4.3 Maillages non parallélotopiques

La robustesse de la formule 3.11que nous avons proposée a été testée pour des maillages triangulaires, sur lequel nous avions fait varier la position de l’interface (Section4.3). Nous avions

ainsi illustré que notre formulation demeurait robuste par rapport à la géométrie et au paramètre de diffusion. Ce même test a également été réalisé avec des éléments finis P^k-Q^k continus avec une interface plane dans la Section 6.4. Nous avons abouti aux mêmes conclusions.

Nous proposons ici de renforcer les analyses précédentes au moyen d’un test effectué avec des éléments finisQ¹ mais sur des maillages quadrangulaires "déformés" (voir1.2.3), afin de mettre en évidence la bonne prise en compte de la bilinéarité des transformations F^K sur des cellules coupées.

Tests de robustesse

(a)Distorsion 1 (b) Distorsion 2

(c)Distorsion 3 (d) Distorsion 4

F ig ur e 6.33 –Maillages quadrangulaires déformés

Reprenons l’exemple 2D issu de l’article [53] dont la solution exacte est donnée par :

u(x, y)=

⎧⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩ r²

K_in si r≤r0, r²−r²0

K_ex + r0²

K_in sinon,

(6.27)

avec r ∶=√

x²+y², plaçons-nous sur le domaine Ω =]−1,1[², fixons r0 = 0.75, K_in = 1 et

K_ex=1000. Les conditions de bord sont de type Dirichlet, le second membre vautf =−4.

Les maillages utilisés dans ces essais ont été présentés en Introduction (Figure 6.22). La Figure 6.33illustre la superposition de la discontinuité sur ces maillages déformés.

Remarque 6.14. Notons que la procédure de raffinement uniforme standard - qui consiste à raffiner en se joignant au milieu des côtés - crée des maillages successifs dans lesquels tous les éléments tendent à devenir des parallélogrammes. La transformationF^Ktend alors à devenir affine.

Afin de maintenir la déformation des mailles quadrangulaires à chaque niveau de raffinement, nous avons dreproduit le même motif à des échelles différentes.

(a)Distorsion 1 (b)Distorsion 2

(c) Distorsion 3 (d)Distorsion 4

F ig ur e 6.34 –Courbes de convergence sur les maillages déformés uniformément raffinés Les courbes de convergences de l’estimateur REstimator (équation deη_h 3.17) et de l’erreur énergieENorm(équation de e_h 3.12) sont présentées dans la Figure6.34. Celles-ci confirment nos précédentes conclusions : la solution que nous avons choisie présente un raccord de la solution et de son flux le long de l’interface. De plus, la discontinuité est correctement approchée. De ce fait, nous devons retrouver l’ordre de convergence optimal, à savoir celui que l’on obtient

avec une méthode éléments finis classique (ordre 1 pour la norme énergie ENorm). L’estimateur REstimator a le même comportement que la norme énergie.

Remarque 6.15. L’erreur-L² a également été calculée, et nous retrouvons l’ordre de convergence optimal (ordre 2).