NanoNem fonctionne de fa¸con relativement lin´eaire en r´ep´etant `a chaque pas de calcul les mˆemes op´erations qui, en dehors de l’´etape de r´esolution du probl`eme de m´ecanique, consistent `
a g´erer des listes de nœuds, les conditions qui s’y rattachent et les sauvegardes. Par exemple les op´erations de gestion lui permettent de connaˆıtre quels sont les points en contact avec un solide, quels points vont entrer en contact avec un solide, quels sont les points triples ou encore `
a quel moment on doit effectuer une sauvegarde. Cette partie pr´esente une vue d’ensemble de l’architecture du code et les op´erations principales qui sont faites en dehors de la r´esolution du syst`eme.
4.3.1 Architecture du code
L’organisation globale du code est pr´esent´e sur la figure 4.4. Dans la phase d’initialisation (a) on lit le fichier maillage et le fichier interpr´etation, et l’on met en place les listes de nœuds rattach´ees `a chaque condition aux limites. Des ensembles suppl´ementaires dits “interfaces” sont cr´e´es pour les nœuds de la surface libre qui seront en contact avec le moule. Ces sous-ensembles sont transparents pour l’utilisateur et sont g´er´es par le code.
Les cases “Calcul des matrices” et “R´esolution” de l’organigramme (b) correspondent aux travaux pr´esent´es dans la partie pr´ec´edente. Les cases “Calcul du champ de vitesse corrig´e” et “Calcul de l’incr´ement de temps” sont pr´esent´ees ci-apr`es. Les cases vertes correspondent aux fonctions d´ej`a existantes fournies par Illoul [91].
4.3.2 Modification du champ de vitesse pour la mise `a jour de la g´eom´etrie Le champ de vitesse calcul´e `a la suite de la r´esolution du syst`eme peut ne pas ˆetre celui utilis´e pour mettre `a jour la position des nœuds. En effet, les nœuds `a l’int´erieur du domaine peuvent ˆetre plac´es arbitrairement, ce qui s’apparente `a un remaillage, la seule exigence ´etant que la surface libre soit mise `a jour conform´ement au champ de vitesse solution. On devra donc ob´eir `a celui-ci pour le d´eplacement des nœuds de cette surface normalement `a celle-ci, mais on pourra les d´eplacer arbitrairement le long de celle-ci. Le champ de vitesse va donc ˆetre modifi´e, sur le bord puis dans le domaine, afin que les nœuds gardent globalement la mˆeme r´epartition tout au long de la simulation. En effet, avec le champ de vitesse brut, si l’on utilise un maillage fin pr`es d’un point triple par exemple, les nœuds du domaine ont tendance `a ne pas suivre le point triple d`es lors qu’il se d´eplace de fa¸con importante, ce qui appauvrit la zone en nœuds et d´egrade la solution autour du point consid´er´e. Pour r´esoudre ce probl`eme, nous corrigeons le champ de vitesse pour la mise `a jour du domaine, en conservant le champ solution uniquement pour le calcul des vitesses de d´eformation, des efforts r´esultants, etc. Dans un premier temps on corrige la vitesse sur la fronti`ere en conservant la composante normale de celle-ci sur la fronti`ere et en modifiant la vitesse tangentielle, cette composante pouvant ˆetre modifi´ee comme on le souhaite sans pour autant changer la g´eom´etrie de notre domaine. Dans un second temps on calcule un nouveau champ de vitesse dans le domaine avec la vitesse sur la fronti`ere modifi´ee, lequel sera utilis´e seulement pour d´eplacer les nœuds int´erieurs.
Sur les axes de sym´etrie et les interfaces : chaque portion de fronti`ere continue est iden- tifi´ee et les vitesses tangentielles sont interpol´ees lin´eairement en fonction des vitesses tan- gentielles des points extr´emit´es. Pour les interfaces on consid`ere la vitesse de glissement
Boucle sur les étapes de simulation Boucle sur les points
de sauvegarde
Calcul des matrices de rigidité et des vecteurs force Calcul du gradient stabilisé
Sauvegarde des données non oui oui oui non Calcul de l’incrément de temps Mise à jour de la géométrie Compilation des sauvegardes Initialisation de la simulation
Boucle sur les incréments
Résolution du système Calcul du champ de vitesse corrigé sauve- garde Fin étape non Fin simulation Lecture de la géométrie
Identification des sous-ensembles de noeuds
Lecture du fichier interprétation Mise à l’échelle du maillage
Création des sous-ensembles``interfaces’’ entre surfaces libres et solides
Calcul de la normale intérieure au solide
Détection des noeuds initialement en contact avec un solide
Détection des noeuds à l’intersection des axes de symétrie et des solides
Détection des noeuds à l’intersection des axes de symétrie et de la surface libre
Détection des noeuds initialement sur la surface libre Initialisation des variables
de simulation
Sélection du fichier maillage
Lecture du fichier température Extraction de la frontière
du domaine
a) b)
Figure4.4 – ´Etapes d’initialisation (a) et de simulation (b) effectu´ees par NanoNem. Les cases vertes correspondent aux fonctions fournies par Illoul [91].
par rapport au solide avec une abscisse curviligne. Ainsi seule la vitesse des points situ´es `
a l’intersection des groupes de nœuds (qui sont g´en´eralement les points de discontinuit´e de la normale `a la fronti`ere du domaine) n’est pas corrig´ee.
Sur la surface libre : on conserve ´egalement les vitesses tangentielles des nœuds extr´emit´es, mais une simple interpolation lin´eaire ne convient pas pour les nœuds interm´ediaires. En
Configuration initiale
Simulation sans correction dans le volume (a)
Simulation avec correction dans le volume (b)
Figure 4.5 – Simulations d’une goutte qui mouille un substrat sans correction du champ de vitesse dans le domaine (a) et avec correction qui permet aux nœuds de garder leur r´epartition initiale (b).
effet, contrairement au cas pr´ec´edent, les points ne sont pas li´es `a une interface rigide et la surface libre peut se d´eformer de fa¸con quelconque. Pour calculer le champ de vitesse tangentielle corrig´e on d´ecide d’avoir un champ de vitesse tel que la d´eformation de chacun des segments de la surface libre soit ´egale `a la d´eformation globale. En supposant les d´eplacements tr`es petits, ce crit`ere nous am`ene `a r´esoudre un syst`eme lin´eaire d´ependant des vitesses tangentielles des extr´emit´es et des vitesses normales en chacun des points. Dans le domaine : on calcule `a nouveau une solution, mais avec cette fois-ci un comporte-
ment tr`es compressible et en utilisant comme condition aux limites le champ de vitesse corrig´e sur toute la fronti`ere, afin de redistribuer les nœuds `a l’int´erieur du domaine. Cette r´esolution double quasiment le temps de calcul d’une it´eration. Cependant avec cette m´ethode l’incr´ement de temps peut ˆetre 2 `a 5 fois plus grand qu’avec une simple correction sur la fronti`ere. Cela est dˆu au fait que les zones autour des points triples ne sont pas vid´ees de nœuds et le champ de vitesse pr´esente moins d’oscillations sur la surface libre dans ces r´egions, oscillations qui sont normalement limit´ees en diminuant l’incr´ement de temps. La figure 4.5 permet de visualiser le r´esultat obtenu avec l’exemple d’une goutte qui mouille un substrat. La simulation sans correction dans le domaine (4.5a) dure 7 minutes et les nœuds initialement proches du point triple sont rest´es proches de leurs positions initiales, ce qui n’est pas le cas de la simulation avec correction (4.5b) qui a dur´e 6 minutes.
4.3.3 Calcul de l’incr´ement de temps
La mise `a jour de la g´eom´etrie se fait suivant un sch´ema explicite tel que : &
Mt dt M&t V .& dt (4.1)
o`u Mt est la position d’un nœud `a l’instant t. Ici c’est l’incr´ement de temps qui pose probl`eme
puisqu’il conditionne la stabilit´e de la simulation. Il est calcul´e suivant quatre conditions : 1. la rotation des ´el´ements de la surface libre doit ˆetre limit´ee,
2. les d´eplacements de la surface libre doivent rester petits devant la longueur des ´el´ements, 3. un point de la surface libre ne doit pas traverser le solide avec lequel il vient entrer en
A VA δA dB polymère noeud trajectoire surface libre solide dC VB VC B C θ
Figure 4.6 – D´etermination de l’incr´ement de temps minimal par le calcul des distances δA, dB, dC entre les nœuds et les ´el´ements de la fronti`ere du solide dans le sens des vecteurs
vitesse correspondants et par le calcul de la vitesse de rotation θ des ´el´ements de la surface libre.
4. l’incr´ement de temps doit au plus s’arrˆeter sur un point de sauvegarde.
Le choix de l’angle maximal de la condition (1) rel`eve d’essais sur plusieurs g´eom´etries pour que les oscillations n’apparaissent pas sur la surface libre. Ce choix ne rel`eve pas d’une formule et la question de l’optimisation de cet angle reste ouverte. Les trois premi`eres conditions sont g´eom´etriques et sont illustr´ees sur la figure 4.6. La vitesse de d´eplacement des nœuds, la lon- gueur des ´el´ements de la surface libre et la distance entre les nœuds et le solide permettent de calculer les incr´ements de temps n´ecessaires pour atteindre l’angle de rotation maximal sur la surface libre, ou pour atteindre un solide. L’incr´ement de temps minimal est ensuite com- par´e `a l’incr´ement de temps n´ecessaire pour arriver au prochain point de sauvegarde. La valeur minimale de ces incr´ements est alors retenue pour la mise `a jour de la g´eom´etrie.