Felix Kwok Département de mathématiques et de statistique Université Laval |
Mon programme de recherche porte généralement sur la conception des méthodes numériques pour des simulations à haute résolution en physique et en génie. Dans de telles simulations, le phénomène physique est souvent modélisé par des équations aux dérivées partielles (EDP), et le but est de suivre l'évolution du système en résolvant approximativement ces EDP à plusieurs points en espace et en temps. Ceci nécessite la résolution à plusieurs reprises des systèmes d'équations linéaires et non linéaires de tailles énormes, comportant souvent des millions de degrés de liberté. Il est donc primordial de développer des algorithmes de résolution (des "solveurs") efficaces, et de les analyser mathématiquement afin de comprendre leurs comportements par rapport aux paramètres physiques du problème. La conception des solveurs efficaces est donc un sujet passionnant qui touche à plusieurs branches de mathématiques, telles que l'analyse fonctionnelle, le calcul scientifique et la modélisation mathématique, et qui ont des applications intéressantes en physique, génie et biologie.
Dans une méthode de décomposition de domaine (DD), le domaine de calcul est subdivisé en plusieurs sous-domaines. En imposant l'EDP sur ces sous-domaines plus petits, on obtient des sous-problèmes avec moins de degrés de liberté qui peuvent être résolus indépendamment les uns des autres. Les méthodes DD sont donc parfaitement adaptées aux grappes de calcul avec des milliers de coeurs, puisque chaque sous-domaine peut être traité par un coeur différent, et cela de façon parallèle; on peut ainsi réduire dramatiquement le temps de calcul pour des problèmes complexes. Pour retrouver la solution du problème de départ, il faut imposer des équations supplémentaires pour assurer la continuité de la solution à travers des interfaces entre sous-domaines. Ces équations sont résolues à l'aide des méthodes itératives. La vitesse de convergence de ces dernières dépend très fortement de l'EDP en question ainsi que du choix de conditions d'interface. Une analyse de convergence pour certains problèmes modèles est donc indispensable si on veut développer des algorithmes performants et robustes pour des problèmes plus réalistes. Voici quelques sujets que j'ai traités récemment :
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Les équations modélisant l'écoulement de fluides en milieux poreux sont fortement non linéaires et posent souvent des difficultés aux solveurs linéaires et non linéaires lors des simulations. Malgré ces difficultés, il est possible d'exploiter le caractère directionnel de ces écoulements pour découpler partiellement ces systèmes d'équations non linéaires. En appliquant la méthode de Newton à ces systèmes partiellement découplés, on obtient un solveur plus robuste par rapport aux pas de temps utilisés dans la simulation. De plus, on observe une convergence plus rapide du solveur linéaire suite à un tel découplage, car il réduit l'influence de l'orientation de l'écoulement sur la matrice jacobienne. Il reste à quantifier plus précisément ces avantages et à étendre cette approche aux autres équations avec un caractère directionnel, telles que celles de Navier-Stokes. |
Fully-Implicit Method
Implicit Pressure/Explicit Saturation |