Une méthode de pénalité-projection pour les écoulements dilatables

Authors

  • Matthieu Jobelin Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) BP 3, F-13115 Saint Paul Lez Durance cedex
  • Bruno Piar Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) BP 3, F-13115 Saint Paul Lez Durance cedex
  • Philippe Angot Université de Provence et Laboratoire d’Analyse, Topologie et Probabilités (LATP), 39 rue F. Joliot Curie, F-13453 Marseille cedex 13
  • Jean-Claude Latché Université de Provence et Laboratoire d’Analyse, Topologie et Probabilités (LATP), 39 rue F. Joliot Curie, F-13453 Marseille cedex 13

DOI:

https://doi.org/10.13052/REMN.17.453-480

Keywords:

dilatable flows, low Mach number flows, projection method, penalty method

Abstract

We present in this paper a novel pressure correction method for dilatable flows. Named "penalty-projection method", this scheme differs from the usual projection method by the addition in the prediction step of a penalty term, built to enforce the mass balance. This term is proportional to a penalty parameter r. Numerical experiments show that the accuracy of the scheme is drastically improved. The splitting error, dominant at large time steps, may be reduced down to zero by choosing larger and larger values for r; note, however, that a too large value degrades the conditioning of the operator associated to the prediction step. In addition, the loss of convergence observed with the standard projection method in case of open boundary conditions is not observed anymore, as soon as r is nonzero.

Downloads

Download data is not yet available.

References

Angot P., Jobelin M., Latché J.-C., « Error Analysis of the Penalty-Projection Method for the

Time-Dependent Stokes Equations », submitted to SIAM Journal on Numerical Analysis,

Aquilon, « Aquilon, Outil de Modélisation en Mécanique des Fluides et Transferts », 2006,

http ://www.trefle.u-bordeaux1.fr/aquilon/index.html.

Babik F., Gallouët T., Latché J.-C., Suard S., Vola D., « On Some Fractional Step Schemes for

Combustion Problems », Finite Volumes for Complex Applications IV (FVCA IV), Hermès,

Paris, p. 505-514, 2005.

Bernardi C., Laval F.,Métivet B., Pernaud-Thomas B., « Finite Element Approximation of Viscous

Flows with Varying Density », SIAM Journal on Numerical Analysis, vol. 29, p. 1203-

, 1992.

Caltagirone J.-P., Breil J., « Sur une méthode de projection vectorielle pour la résolution des

équations de Navier-Stokes », Comptes-Rendus de l’Académie des Sciences, Paris – Série

II, vol. 327, p. 1179-1184, 1999.

Chorin A. J., « Numerical Solution of the Navier-Stokes Equations », Mathematics of Computation,

vol. 22, p. 745-762, 1968.

Ciarlet P., Finite Elements Methods – Basic Error Estimates for Elliptic Problems, vol. II of

Handbook of Numerical Analysis, North-Holland, 1991.

Coré X., Angot P., Latché J.-C., « A multi-level FIC projection method for low Mach number

natural convection flows », Finite Volumes for Complex Applications III (FVCA III),

Éditions Hermès, Paris, p. 317-324, 2002.

Coré X., Angot P., Latché J.-C., « A multi-level local mesh refinement projection method for

low Mach number flows », Mathematics and Computers in Simulation, vol. 61, p. 477-488,

Ern A., Guermond J., Eléments finis : théorie, applications, mise en oeuvre, vol. 36 of Mathématiques

& Applications, Springer, 2002.

Fortin M., Glowinski R., Méthodes de Lagrangien Augmenté, Dunod, Paris, 1982.

Girault V., Raviart P.-A., Finite Element Methods for Navier-Stokes Equations. Theory and Algorithms.,

vol. 5 of Springer Series in Computational Mathematics, Springer-Verlag, 1986.

Goda K., « A Multistep Technique with Implicit Difference Schemes for Calculating Two- or

Three-Dimensional Cavity Flows », Journal of Computational Physics, vol. 30, p. 76-95,

Guermond J.-L., « Un résultat de convergence d’ordre deux en temps pour l’approximation des

équations de Navier-Stokes par une technique de projection incrémentale », Mathematical

Modelling and Numerical Analysis, vol. 33, n° 1, p. 169-189, 1999.

Guermond J.-L., Shen J., « On the error estimates for the rotational pressure-correction projection

methods », Mathematics of Computation, vol. 73, n° 248, p. 1719-1737, 2003.

Guermond J.,Minev P., Shen J., « Error Analysis of Pressure-Correction Schemes for the Time-

Dependent Stokes Equations with Open Boundary Conditions », SIAM Journal on Numerical

Analysis, vol. 43, p. 239-258, 2005.

Guermond J., Minev P., Shen J., « An overview of Projection Methods for Incompressible

Flows », Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 195, p. 6011-

, 2006.

Jobelin M., Méthodes de Projection pour le Calcul d’Ecoulements Incompressibles ou Dilatables,

Thèse de doctorat, Université de Marseille II, 2006.

Jobelin M., Lapuerta C., Latché J.-C., Angot P., Piar B., « A Finite Element Penalty-Projection

Method for Incompressible Flows », Journal of Computational Physics, vol. 217, p. 502-

, 2006.

Majda A., Sethian J., « The Derivation and Numerical Solution of the Equations for Zero Mach

Number Solution », Combustion Science and Techniques, vol. 42, p. 185-205, 1985.

Ne˘cas J., « Sur une méthode pour résoudre les équations aux dérivées partielles de type elliptique,

voisine de la variationnelle », Ann. Scuola Norm. Sup. Pisa, vol. 16, p. 305-326,

Piar B., PELICANS : Un Outil d’Implémentation de Solveurs d’Équations aux Dérivées Partielles,

Note Technique n° 2004/33, IRSN/DPAM/SEMIC, 2004.

Shen J., « On Error Estimates of some Higher Order Projection and Penalty-ProjectionMethods

for Navier-Stokes Equations », Numerische Mathematik, vol. 62, p. 49-73, 1992.

Temam R., « Sur l’Approximation de la Solution des Équations de Navier-Stokes par la Méthode

des pas Fractionnaires (II) », Archive for Rational Mechanics and Analysis, vol. 33,

p. 377-385, 1969.

Timmermans L., Minev P., Van de Vosse F., « An approximate projection scheme for incompressible

flow using spectral elements », International Journal for Numerical Methods in

Fluids, vol. 22, p. 673-688, 1996.

Van Kan J., « A Second-Order Accurate Pressure-Correction Scheme for Viscous Incompressible

Flow», SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, vol. 7, n° 3, p. 870-891,

Downloads

Published

2008-09-11

How to Cite

Jobelin, M. ., Piar, B. ., Angot, P., & Latché, J.-C. . (2008). Une méthode de pénalité-projection pour les écoulements dilatables. European Journal of Computational Mechanics, 17(4), 453–480. https://doi.org/10.13052/REMN.17.453-480

Issue

Section

Original Article

Most read articles by the same author(s)