Les équations de Maxwell en régime harmonique comportent plusieurs difficultés lorsque la fréquence est élevée. On peut notamment citer le fait que leur formulation variationnelle n’est pas définie positive et l’effet de pollution qui oblige à utiliser des maillages très fins, ce qui rend problématique la construction de solveurs itératifs. Nous proposons une stratégie de solution précise et rapide, qui associe une discrétisation par des éléments finis d’ordre élevé à des préconditionneurs de type décomposition de domaine. La conception, l’implémentation et l’analyse des deux méthodes sont assez difficiles pour les équations de Maxwell. Les éléments finis adaptés à l’approximation du champ électrique sont les éléments finis H(rot)-conformes ou d’arête. Ici nous revisitons les degrés de liberté classiques définis par Nédélec, afin d’obtenir une expression plus pratique par rapport aux fonctions de base d’ordre élevé choisies. De plus, nous proposons une technique pour restaurer la dualité entre les fonctions de base et les degrés de liberté. Nous décrivons explicitement une stratégie d’implémentation qui a été appliquée dans le langage open source FreeFem++. Ensuite, nous nous concentrons sur les techniques de préconditionnement du système linéaire résultant de la discrétisation par éléments finis. Nous commençons par la validation numérique d’un préconditionneur à un niveau, de type Schwarz avec recouvrement, avec des conditions de transmission d’impédance entre les sous-domaines. Enfin, nous étudions comment des préconditionneurs à deux niveaux, analysés récemment pour l’équation de Helmholtz, se comportent pour les équations de Maxwell, des points de vue théorique et numérique. Nous appliquons ces méthodes à un problème à grande échelle qui découle de la modélisation d’un système d’imagerie micro-onde, pour la détection et le suivi des accidents vasculaires cérébraux. La précision et la vitesse de calcul sont essentielles dans cette application. / The time-harmonic Maxwell’s equations present several difficulties when the frequency is large, such as the sign-indefiniteness of the variational formulation, the pollution effect and the problematic construction of iterative solvers. We propose a precise and efficient solution strategy that couples high order finite element (FE) discretizations with domain decomposition (DD) preconditioners. High order FE methods make it possible for a given precision to reduce significantly the number of unknowns of the linear system to be solved. DD methods are then used as preconditioners for the iterative solver: the problem defined on the global domain is decomposed into smaller problems on subdomains, which can be solved concurrently and using robust direct solvers. The design, implementation and analysis of both these methods are particularly challenging for Maxwell’s equations. FEs suited for the approximation of the electric field are the curl-conforming or edge finite elements. Here, we revisit the classical degrees of freedom (dofs) defined by Nédélec to obtain a new more friendly expression in terms of the chosen high order basis functions. Moreover, we propose a general technique to restore duality between dofs and basis functions. We explicitly describe an implementation strategy, which we embedded in the open source language FreeFem++. Then we focus on the preconditioning of the linear system, starting with a numerical validation of a one-level overlapping Schwarz preconditioner, with impedance transmission conditions between subdomains. Finally, we investigate how two-level preconditioners recently analyzed for the Helmholtz equation work in the Maxwell case, both from the theoretical and numerical points of view. We apply these methods to the large scale problem arising from the modeling of a microwave imaging system, for the detection and monitoring of brain strokes. In this application accuracy and computing speed are indeed of paramount importance.

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Le travail de thèse qui est rapporté dans le présent document a porté sur la réalisation d'un système de restitution sonore spatialisée pour la visioconférence. La principale contrainte de ce projet a résidé dans la taille de la zone d'écoute qui doit être sufisamment grande pour englober plusieurs auditeurs simultanément. Chaque auditeur doit également pouvoir se déplacer au sein de la zone d'écoute. A l'issue d'un tour d'horizon des différentes méthodes de spatialisation sonore existantes (stéréophonie, techniques binaurales, système ambisonique...) dont la pertinence a été examinée du point de vue du contexte de visioconférence, une approche holophonique a été finalement choisie. Attendu qu'elle s'avère être la solution la plus pertinente pour obtenir une zone d'écoute étendue. Un prototype de système holophonique pour la visioconférence a ainsi été conçu et réalisé. D'un point de vue théorique, l'holophonie dérive du Principe de Huygens. Elle constitue l'équivalent acoustique de l'holographie et consiste à reproduire un champ sonore à partir d'un enregistrement sur une surface. Sur la plan pratiqu, le champ sonore est enregistré par un réseau de microphones auquel on substitue un réseau de haut-parleurs de géométrie identique à la restitution. Le concept de Wavefield Synthesis qui a été mis au point à l'UTD (Université Technologique de Delft) définit un exemple de mise en oeuvre d'un système holophonique. Le prototype qui a été développé au cours de cette thèse s'en est largement inspiré. En particulier les simplifications mises en évidence à l'UTD, principalement afin de réduire la taille du réseau de transducteurs et leur nombre, ont été retenues. On a néanmoins eu le souci constant d'analyser la pertinence de la démarche menée à l'UTD et de l'approfondir. Ainsi les questions de l'échantillonnage spatial et de la troncature du réseau de transducteurs ont fait l'objet d'études spécifiques. Au final, le système holophonique qui a été mis au point se compose d'une antenne de haut-parleurs pilotés par une carte DSP. Il a été validé à la fois en environnement anéchoïque et dans un studio expérimental de visioconférence. Au delà de la réalisation d'un système de spatialisation sonore pour la visioconférence, le second objectif de cette thèse visait une meilleure compréhension des procédés de spatialisation sonore à partir de l'approche générale que définit l'holophonie. Cet objectif a été atteint en reliant le système ambisonique à l'holophonie. Il est montré que, loin de constituer deux méthodes distinctes, les systèmes ambisonique et holophonique sont fondés sur des processus analogues et qu'en réalité, le système ambisonique est un cas particulier de l'holophonie. De ce résultat, un formalisme unifiée de la reconstruction de champ sonore a été dégagé, il permet une comparaison directe des performances des deux méthodes, en termes d'enco age et de décodage de l'information spatiale du champ sonore. Il en ressort que, bien que le système ambisonique soit très séduisant sur le plan théorique, il se heurte à de nombreux problèmes de mise en œuvre. Par suite, l'holophonie reste la méthode la plus robuste sur le plan pratique.

Une écoulement de cavité ouverte tridimensionnel saturé non-linéairement est étudié par une approche spatio-temporelle utilisant des données expérimentales résolues à la fois en temps et en espace. Ces données ont été acquises dans deux plans longitudinaux, respectivement perpendiculaire et parallèle au fond de la cavité, dans le régime incompressible, en air ou en eau. À l'aide de multiples méthodes de décompositions globales en temps et en espace, les ondes et les structures cohérentes constituant la dynamique dans le régime permanent et pouvant être produites par des mécanismes d'instabilités différents sont identifiées et caractérisées.Tout d'abord, on approfondit la compréhension de l'effet des non-linéarités sur les oscillations auto-entretenues de la couche cisaillée impactante et leurs interactions avec l'écoulement intra-cavitaire. En particulier, l'analyse spectrale d'une portion de l'espace des paramètres permet de mettre en évidence un lien entre l'accrochage des modes d'oscillations auto-entretenues, la modulation d'amplitude au niveau du coin impactant et l'intermittence de ces modes. De plus, l'observation des basses fréquences intéragissant fortement avec les oscillations de la couche de mélange démontre l'existence d'une dynamique tridimensionnelle intrinsèque à l'intérieur de la cavité malgré les perturbations causées par la couche cisaillée instable.Les analyses de stabilité linéaire ont montré que des instabilités centrifuges peuvent résulter de la courbure induite par la recirculation. L'étude de la dynamique après saturation révèle de nombreuses structures cohérentes dont les propriétés sont quantifiées et classées en s'appuyant sur la forme des instabilités sous-jacentes: des ondes transverses progressives ou stationnaires. Enfin, certains comportements des structures saturées suggèrent que les mécanismes non-linéaires gouvernant le développement de l'écoulement une fois sorti du régime linéaire pourraient être étudiés dans le cadre des équations d'amplitude.

Ce travail présente et valide une théorie nonlocale nouvelle et généralisée, de la propagation acoustique dans les milieux poreux à structure rigide, saturés par un fluide viscothermique. Cette théorie linéaire permet de dépasser les limites de la théorie classique basée sur la théorie de l'homogénéisation. Elle prend en compte non seulement les phénomènes de dispersion temporelle, mais aussi ceux de dispersion spatiale. Dans le cadre de la nouvelle approche, une nouvelle procédure d'homogénéisation est proposée, qui permet de trouver les propriétés acoustiques à l'échelle macroscopique, en résolvant deux problèmes d'action-réponse indépendants, posés à l'échelle microscopique de Navier-Stokes-Fourier. Contrairement à la méthode classique d'homogénéisation, aucune contrainte de séparation d'échelle n'est introduite. En l'absence de structure solide, la procédure redonne l'équation de dispersion de Kirchhoff-Langevin, qui décrit la propagation des ondes longitudinales dans les fluides viscothermiques. La nouvelle théorie et procédure d'homogénéisation nonlocale sont validées dans trois cas, portant sur des microgéométries significativement différentes. Dans le cas simple d'un tube circulaire rempli par un fluide viscothermique, on montre que les nombres d'ondes et les impédances prédits par la théorie nonlocale, coïncident avec ceux de la solution exacte de Kirchhoff, connue depuis longtemps. Au contraire, les résultats issus de la théorie locale (celle de Zwikker et Kosten, découlant de la théorie classique d'homogénéisation) ne donnent que le mode le plus attenué, et encore, seulement avec le petit désaccord existant entre la solution simplifiée de Zwikker et Kosten et celle exacte de Kirchhoff. Dans le cas où le milieu poreux est constitué d'un réseau carré de cylindres rigides parallèles, plongés dans le fluide, la propagation étant regardée dans une direction transverse, la vitesse de phase du mode le plus atténué peut être calculée en fonction de la fréquence en suivant les approches locale et nonlocale, résolues au moyen de simulations numériques par la méthode des Eléments Finis. Elle peut être calculée d'autre part par une méthode complètement différente et quasi-exacte, de diffusion multiple prenant en compte les effets viscothermiques. Ce dernier résultat quasi-exact montre un accord remarquable avec celui obtenu par la théorie nonlocale, sans restriction de longueur d'onde. Avec celui de la théorie locale, l'accord ne se produit que tant que la longueur d'onde reste assez grande.

We present three new stabilized finite element (FE) based Petrov-Galerkin methods for the convection-diffusionreaction (CDR), the Helmholtz and the Stokes problems, respectively. The work embarks upon a priori analysis of a consistency recovery procedure for some stabilization methods belonging to the Petrov- Galerkin framework. It was ound that the use of some standard practices (e.g. M-Matrices theory) for the design of essentially non-oscillatory numerical methods is not appropriate when consistency recovery methods are employed. Hence, with respect to convective stabilization, such recovery methods are not preferred. Next, we present the design of a high-resolution Petrov-Galerkin (HRPG) method for the CDR problem. The structure of the method in 1 D is identical to the consistent approximate upwind (CAU) Petrov-Galerkin method [doi: 10.1016/0045-7825(88)90108-9] except for the definitions of he stabilization parameters. Such a structure may also be attained via the Finite Calculus (FIC) procedure [doi: 10.1 016/S0045-7825(97)00119-9] by an appropriate definition of the characteristic length. The prefix high-resolution is used here in the sense popularized by Harten, i.e. second order accuracy for smooth/regular regimes and good shock-capturing in non-regular re9jmes. The design procedure in 1 D embarks on the problem of circumventing the Gibbs phenomenon observed in L projections. Next, we study the conditions on the stabilization parameters to ircumvent the global oscillations due to the convective term. A conjuncture of the two results is made to deal with the problem at hand that is usually plagued by Gibbs, global and dispersive oscillations in the numerical solution. A multi dimensional extension of the HRPG method using multi-linear block finite elements is also presented. Next, we propose a higher-order compact scheme (involving two parameters) on structured meshes for the Helmholtz equation. Making the parameters equal, we recover the alpha-interpolation of the Galerkin finite element method (FEM) and the classical central finite difference method. In 1 D this scheme is identical to the alpha-interpolation method [doi: 10.1 016/0771 -050X(82)90002-X] and in 2D choosing the value 0.5 for both the parameters, we recover he generalized fourth-order compact Pade approximation [doi: 10.1 006/jcph.1995.1134, doi: 10.1016/S0045- 7825(98)00023-1] (therein using the parameter V = 2). We follow [doi: 10.1 016/0045-7825(95)00890-X] for the analysis of this scheme and its performance on square meshes is compared with that of the quasi-stabilized FEM [doi: 10.1016/0045-7825(95)00890-X]. Generic expressions for the parameters are given that guarantees a dispersion accuracy of sixth-order should the parameters be distinct and fourth-order should they be equal. In the later case, an expression for the parameter is given that minimizes the maximum relative phase error in 2D. A Petrov-Galerkin ormulation that yields the aforesaid scheme on structured meshes is also presented. Convergence studies of the error in the L2 norm, the H1 semi-norm and the I ~ Euclidean norm is done and the pollution effect is found to be small. / Presentamos tres nuevos metodos estabilizados de tipo Petrov- Galerkin basado en elementos finitos (FE) para los problemas de convecci6n-difusi6n- reacci6n (CDR), de Helmholtz y de Stokes, respectivamente. El trabajo comienza con un analisis a priori de un metodo de recuperaci6n de la consistencia de algunos metodos de estabilizaci6n que pertenecen al marco de Petrov-Galerkin. Hallamos que el uso de algunas de las practicas estandar (por ejemplo, la eoria de Matriz-M) para el diserio de metodos numericos esencialmente no oscilatorios no es apropiado cuando utilizamos los metodos de recu eraci6n de la consistencia. Por 10 tanto, con res ecto a la estabilizaci6n de conveccion, no preferimos tales metodos de recuperacion . A continuacion, presentamos el diser'io de un metodo de Petrov-Galerkin de alta-resolucion (HRPG) para el problema CDR. La estructura del metodo en 10 es identico al metodo CAU [doi: 10.1016/0045-7825(88)90108-9] excepto en la definicion de los parametros de estabilizacion. Esta estructura tambien se puede obtener a traves de la formulacion del calculo finito (FIC) [doi: 10.1 016/S0045- 7825(97)00119-9] usando una definicion adecuada de la longitud caracteristica. El prefijo de "alta-resolucion" se utiliza aqui en el sentido popularizado por Harten, es decir, tener una solucion con una precision de segundo orden en los regimenes suaves y ser esencialmente no oscilatoria en los regimenes no regulares. El diser'io en 10 se embarca en el problema de eludir el fenomeno de Gibbs observado en las proyecciones de tipo L2. A continuacion, estudiamos las condiciones de los parametros de estabilizacion para evitar las oscilaciones globales debido al ermino convectivo. Combinamos los dos resultados (una conjetura) para tratar el problema COR, cuya solucion numerica sufre de oscilaciones numericas del tipo global, Gibbs y dispersiva. Tambien presentamos una extension multidimensional del metodo HRPG utilizando los elementos finitos multi-lineales. fa. continuacion, proponemos un esquema compacto de orden superior (que incluye dos parametros) en mallas estructuradas para la ecuacion de Helmholtz. Haciendo igual ambos parametros, se recupera la interpolacion lineal del metodo de elementos finitos (FEM) de tipo Galerkin y el clasico metodo de diferencias finitas centradas. En 10 este esquema es identico al metodo AIM [doi: 10.1 016/0771 -050X(82)90002-X] y en 20 eligiendo el valor de 0,5 para ambos parametros, se recupera el esquema compacto de cuarto orden de Pade generalizada en [doi: 10.1 006/jcph.1 995.1134, doi: 10.1 016/S0045-7825(98)00023-1] (con el parametro V = 2). Seguimos [doi: 10.1 016/0045-7825(95)00890-X] para el analisis de este esquema y comparamos su rendimiento en las mallas uniformes con el de "FEM cuasi-estabilizado" (QSFEM) [doi: 10.1016/0045-7825 (95) 00890-X]. Presentamos expresiones genericas de los para metros que garantiza una precision dispersiva de sexto orden si ambos parametros son distintos y de cuarto orden en caso de ser iguales. En este ultimo caso, presentamos la expresion del parametro que minimiza el error maxima de fase relativa en 20. Tambien proponemos una formulacion de tipo Petrov-Galerkin ~ue recupera los esquemas antes mencionados en mallas estructuradas. Presentamos estudios de convergencia del error en la norma de tipo L2, la semi-norma de tipo H1 y la norma Euclidiana tipo I~ y mostramos que la perdida de estabilidad del operador de Helmholtz ("pollution effect") es incluso pequer'ia para grandes numeros de onda. Por ultimo, presentamos una coleccion de metodos FE estabilizado para el problema de Stokes desarrollados a raves del metodo FIC de primer orden y de segundo orden. Mostramos que varios metodos FE de estabilizacion existentes y conocidos como el metodo de penalizacion, el metodo de Galerkin de minimos cuadrados (GLS) [doi: 10.1016/0045-7825(86)90025-3], el metodo PGP (estabilizado a traves de la proyeccion del gradiente de presion) [doi: 10.1 016/S0045-7825(96)01154-1] Y el metodo OSS (estabilizado a traves de las sub-escalas ortogonales) [doi: 10.1016/S0045-7825(00)00254-1] se recuperan del marco general de FIC. Oesarrollamos una nueva familia de metodos FE, en adelante denominado como PLS (estabilizado a traves del Laplaciano de presion) con las formas no lineales y consistentes de los parametros de estabilizacion. Una caracteristica distintiva de la familia de los metodos PLS es que son no lineales y basados en el residuo, es decir, los terminos de estabilizacion dependera de los residuos discretos del momento y/o las ecuaciones de incompresibilidad. Oiscutimos las ventajas y desventajas de estas tecnicas de estabilizaci6n y presentamos varios ejemplos de aplicacion

High-frequency wave phenomena is observed in many physical settings, most notably in acoustics, electromagnetics, and elasticity. In all of these fields, numerical simulation and modeling of the forward propagation problem is important to the design and analysis of many systems; a few examples which rely on these computations are the development of metamaterial technologies and geophysical prospecting for natural resources. There are two modes of modeling the forward problem: the frequency domain and the time domain. As the title states, this work is concerned with the former regime. The difficulties of solving the high-frequency wave propagation problem accurately lies in the large number of degrees of freedom required. Conventional wisdom in the computational electromagnetics commmunity suggests that about 10 degrees of freedom per wavelength be used in each coordinate direction to resolve each oscillation. If K is the width of the domain in wavelengths, the number of unknowns N grows at least by O(K^2) for surface discretizations and O(K^3) for volume discretizations in 3D. The memory requirements and asymptotic complexity estimates of direct algorithms such as the multifrontal method are too costly for such problems. Thus, iterative solvers must be used. In this dissertation, I will present fast algorithms which, in conjunction with GMRES, allow the solution of the forward problem in O(N) or O(N log N) time. / text

This Master’s thesis contains an overview of determining measurement uncertainties of direct and indirect measurements. It describes a way of creating a magnetic field with the help of Helmholtz coil and a more detailed description of some principles of magnetic field sensors. This thesis also contains a description of the experiments and the factors influencing them. The last part deals with the quantification of uncertainties from measured experiments and with the discussion of the results from these measurements.

This thesis is concerned with several issues of a posteriori error estimates for linear problems. In its first part error estimates for the heat conduction equation discretized by the backward Euler method in time and discontinuous Galerkin method in space are derived. In the second part guaranteed and locally efficient error estimates involving algebraic error for Poisson equation discretized by the discontinuous Galerkin method are derived. The technique is based on the flux reconstruction where meshes with hanging nodes and variable polynomial degree are allowed. An adaptive strategy combining both adaptive mesh refinement and stopping criteria for iterative algebraic solvers is proposed. In the last part a numerical method for computing guaranteed lower and upper bounds of principal eigenvalues of symmetric linear elliptic differential operators is presented. 1

Small satellites are gaining popularity in a wide range of applications where attitude systems require high precision performance. One of the main sources of errors, in case of magnetic attitude control systems, is the residual magnetic moment (RMM) of the spacecraft. To keep the RMM low and stable, mitigation methods shall be applied based on the satellite’s magnetic dipole moment (MDM) characterization, which shall be measured accurately. For small satellites, the most common technique involves the generation of a field-free region for the magnetic measurements using a test bed. The test bed measurement setup is normally mechanical, where measurements from the device under test (DUT) are very tedious. Optical magnetic test beds (OMTB) are being developed for MDM characterization providing simpler set ups and faster measurements than mechanical test beds. In this work, accuracy of OMTB of Aalto University has been evaluated by measuring three permanent magnets in two configurations. The measurements show a relationship between the estimation accuracy and the DUT’s marker area seen by the camera. Moreover, it was observed that the field-free region generated by Helmholtz coil cage can generate false data points. Based on these observations, the detection of the marker’s positions have been evaluated using the view area (VA) and the pointing angle (PA). The analysis shows that there is a consistent pattern depending on the combination of the VA and PA. Hence, the method of data acquisition was improved in order to prioritize the markers which position allow better accuracy. The achieved improvement of MDM estimation results is 2 %, and the test bed’s overall error evaluated is a 13 % in MDM position estimation and 23 % in MDM magnitude estimation. The improved OMTB was used to characterize the MDM of four magnetic attitude coils of Foresail-1 satellite. The measurements results are consistent with design parameters, showing three dipole configuration in all coils with a MDM magnitude order of 10−2 A·m2. / Foresail-1