Une méthode de pénalité-projection pour les écoulements dilatables
DOI:
https://doi.org/10.13052/REMN.17.453-480Keywords:
dilatable flows, low Mach number flows, projection method, penalty methodAbstract
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.
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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,