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Cette étude s’inscrit dans le domaine de la simulation électromagnétique des problèmes de grande taille tels que la diffraction d’ondes planes par de larges plateformes et le rayonnement d’antennes aéroportées. Elle consiste à développer une méthode combinant décomposition en sous-domaines et compression hiérarchique des équations intégrales de frontière. Pour cela, nous rappelons dans un premier temps les points importants de la méthode des équations intégrales de frontière et de leur compression hiérarchique par l’algorithme ACA (Adaptive Cross Approximation). Ensuite, nous présentons la formulation IE-DDM (Integral Equations – Domain Decomposition Method) obtenue à partir d’une représentation intégrale des sous-domaines. Les matrices résultant de la discrétisation de cette formulation sont stockées au format H-matrice (matricehiérarchique). Un solveur spécialement adapté à la résolution de la formulation IE-DDM et à sa représentation hiérarchique a été conçu. Cette étude met en évidence l’efficacité de la décomposition en sous-domaines en tant que préconditionneur des équations intégrales. De plus, la méthode développée est rapide pour la résolution des problèmes à incidences multiples ainsi que la résolution des problèmes basses fréquences / This thesis is about the electromagnetic simulation of large scale problems as the wave scattering from aircrafts and the airborne antennas radiation. It consists in the development of a method combining domain decomposition and hierarchical compression of the surface integral equations. First, we remind the principles of the boundary element method and the hierarchical representation of the surface integral equations with the Adaptive Cross Approximation algorithm. Then, we present the IE-DDM formulation obtained from a sub-domain integral representation. The matrices resulting of the discretization of the formulation are stored in the H-matrix format. A solver especially fitted with the hierarchical representation of the IE-DDM formulation has been developed. This study highlights the efficiency of the sub-domain decomposition as a preconditioner of the integral equations. Moreover, the method is fast for the resolution of multiple incidences and the resolution of low frequencies problems

Il existe une grande quantité de méthodes numériques adaptées d’une part à la modélisation, et d'autre part à la résolution des équations de Maxwell. En particulier, la méthode des éléments nis de frontière (BEM), ou méthode des Moments (MoM), semble appropriée pour la mise en équation des phénomènes de diffraction par des objets parfaitement conducteurs, en limitant le cadre de l'étude à la frontière entre l'objet diffractant et le milieu extérieur. Cette méthode mène systématiquement à la résolution d’un système linéaire dense, que nous parvenons à compresser en l'approchant numériquement par une matrice hiérarchique creuse, appelée H-matrice. Cette approximation peut être complétée d'une ré-agglomération permettant d'améliorer la sparsité de la H-matrice et ainsi d'optimiser davantage la résolution du système traité. La hiérarchisation du système s'effectue en considérant la matrice traitée par blocs, que l'on peut ou non compresser selon une condition d'admissibilité. L'Approximation en Croix Adaptative (ACA) ou l'Approximation en Croix Hybride (HCA) sont deux méthodes de compression que l'on peut alors appliquer aux blocs admissibles. Il existe une grande quantité de méthodes numériques adaptées d’une part à la modélisation, et d'autre part à la résolution des équations de Maxwell. En particulier, la méthode des éléments finis de frontière (BEM), ou méthode des Moments (MoM), semble appropriée pour la mise en équation des phénomènes de diffraction par des objets parfaitement conducteurs, en limitant le cadre de l'étude à la frontière entre l'objet diffractant et le milieu extérieur. Cette méthode mène systématiquement à la résolution d’un système linéaire dense, que nous parvenons à compresser en l'approchant numériquement par une matrice hiérarchique creuse, appelée H-matrice. Cette approximation peut être complétée d'une ré-agglomération permettant d'améliorer la sparsité de la H-matrice et ainsi d'optimiser davantage la résolution du système traité. La hiérarchisation du système s'effectue en considérant la matrice traitée par blocs, que l'on peut ou non compresser selon une condition d'admissibilité. L'Approximation en Croix Adaptative (ACA) ou l'Approximation en Croix Hybride (HCA) sont deux méthodes de compression que l'on peut alors appliquer aux blocs admissibles. Le travail de cette thèse consiste dans un premier temps à valider le format H-matrice en 2D et en 3D en utilisant l'ACA, puis d'y appliquer la méthode HCA, encore peu exploitée. Nous pouvons alors résoudre le système linéaire issu de la BEM en utilisant différents solveurs, directs ou non, adaptés au format hiérarchique. En particulier, nous pourrons constater l'efficacité du préconditionnement LU hiérarchique sur un solveur itératif. Nous pourrons alors appliquer ce formalisme au cas des surfaces rugueuses ou encore des fibres à cristaux photoniques (PCF). Il sera également possible de paralléliser certaines opérations sur architecture partagée afin de réduire de nouveau le coût temporel de la résolution. / A lot of numerical methods are available for the modelization as well as the solution of the Maxwell's equations. In particular the boundary element method (BEM), also known as Method of Moments (MoM), seems appropriate to put in equation the scattering problems by perfectly conducting objects, by restricting the study to the frontier between the diffracting object and its surrounding. This method automatically leads to a dense linear system which we are able to compress, numerically approaching it by a hierarchical sparse matrix, called H-matrix. This approximation can be completed with a coarsening which enhance the sparsity of the H -matrix and thus optimizes again the solution of the concerned system. The hierarchization of the system is done considering the concerned matrix by its blocks, which can or cannot be compressed according to an admissibility condition. The Adaptive Cross Approximation (ACA) or the Hybrid Cross Approximation (HCA) are among the possible compression methods available to compress the admissible blocks. This PhD thesis first focuses on the validation of the H-matrix format both in 2D and 3D using the ACA. We then apply to this format the HCA method, which is still quite unmined. Thus we can solve the linear system coming from the BEM using different direct and iterative solution methods which are adapted to suit the hierarchical format. In particular, we will observe the efficiency of the hierarchical LU preconditionning used to enhance an iterative solver. Thus we will be able to apply this formalism on cases such as rough surfaces or photonic crystal fibers (PCF). It will also be possible to make some operations parallel in order to further reduce the time cost of the solution.

El Método de los Momentos (MoM) ha sido ampliamente utilizado en las últimas décadas para la discretización y la solución de las formulaciones de ecuación integral que aparecen en muchos problemas electromagnéticos de antenas y dispersión. Las más utilizadas de dichas formulaciones son la Ecuación Integral de Campo Eléctrico (EFIE), la Ecuación Integral de Campo Magnético (MFIE) y la Ecuación Integral de Campo Combinada (CFIE), que no es más que una combinación lineal de las dos anteriores.Las formulaciones MFIE y CFIE son válidas únicamente para objetos cerrados y necesitan tratar la integración de núcleos con singularidades de orden superior al de la EFIE. La falta de técnicas eficientes y precisas para el cálculo de dichas integrales singulares a llevado a imprecisiones en los resultados. Consecuentemente, su uso se ha visto restringido a propósitos puramente académicos, incluso cuando tienen una velocidad de convergencia muy superior cuando son resuelto iterativamente, debido a su excelente número de condicionamiento.En general, la principal desventaja del MoM es el alto coste de su construcción, almacenamiento y solución teniendo en cuenta que es inevitablemente un sistema denso, que crece con el tamaño eléctrico del objeto a analizar. Por tanto, un gran número de métodos han sido desarrollados para su compresión y solución. Sin embargo, muchos de ellos son absolutamente dependientes del núcleo de la ecuación integral, necesitando de una reformulación completa para cada núcleo, en caso de que sea posible.Esta tesis presenta nuevos enfoques o métodos para acelerar y incrementar la precisión de ecuaciones integrales discretizadas con el Método de los Momentos (MoM) en electromagnetismo computacional.En primer lugar, un nuevo método iterativo rápido, el Multilevel Adaptive Cross Approximation (MLACA), ha sido desarrollado para acelerar la solución del sistema lineal del MoM. En la búsqueda por un esquema de propósito general, el MLACA es un método independiente del núcleo de la ecuación integral y es puramente algebraico. Mejora simultáneamente la eficiencia y la compresión con respecto a su versión mono-nivel, el ACA, ya existente. Por tanto, representa una excelente alternativa para la solución del sistema del MoM de problemas electromagnéticos de gran escala.En segundo lugar, el Direct Evaluation Method, que ha provado ser la referencia principal en términos de eficiencia y precisión, es extendido para superar el cálculo del desafío que suponen las integrales hiper-singulares 4-D que aparecen en la formulación de Ecuación Integral de Campo Magnético (MFIE) así como en la de Ecuación Integral de Campo Combinada (CFIE). La máxima precisión asequible -precisión de máquina se obtiene en un tiempo más que razonable, sobrepasando a cualquier otra técnica existente en la bibliografía.En tercer lugar, las integrales hiper-singulares mencionadas anteriormente se convierten en casi-singulares cuando los elementos discretizados están muy próximo pero sin llegar a tocarse. Se muestra como las reglas de integración tradicionales tampoco convergen adecuadamente en este caso y se propone una posible solución, basada en reglas de integración más sofisticadas, como la Double Exponential y la Gauss-Laguerre.Finalmente, un esfuerzo en facilitar el uso de cualquier programa de simulación de antenas basado en el MoM ha llevado al desarrollo de un modelo matemático general de un puerto de excitación en el espacio discretizado. Con este nuevo modelo, ya no es necesaria la adaptación de los lados del mallado al puerto en cuestión. / The Method of Moments (MoM) has been widely used during the last decades for the discretization and the solution of integral equation formulations appearing in several electromagnetic antenna and scattering problems. The most utilized of these formulations are the Electric Field Integral Equation (EFIE), the Magnetic Field Integral Equation (MFIE) and the Combined Field Integral Equation (CFIE), which is a linear combination of the other two. The MFIE and CFIE formulations are only valid for closed objects and need to deal with the integration of singular kernels with singularities of higher order than the EFIE. The lack of efficient and accurate techniques for the computation of these singular integrals has led to inaccuracies in the results. Consequently, their use has been mainly restricted to academic purposes, even having a much better convergence rate when solved iteratively, due to their excellent conditioning number. In general, the main drawback of the MoM is the costly construction, storage and solution considering the unavoidable dense linear system, which grows with the electrical size of the object to analyze. Consequently, a wide range of fast methods have been developed for its compression and solution. Most of them, though, are absolutely dependent on the kernel of the integral equation, claiming for a complete re-formulation, if possible, for each new kernel. This thesis dissertation presents new approaches to accelerate or increase the accuracy of integral equations discretized by the Method of Moments (MoM) in computational electromagnetics. Firstly, a novel fast iterative solver, the Multilevel Adaptive Cross Approximation (MLACA), has been developed for accelerating the solution of the MoM linear system. In the quest for a general-purpose scheme, the MLACA is a method independent of the kernel of the integral equation and is purely algebraic. It improves both efficiency and compression rate with respect to the previously existing single-level version, the ACA. Therefore, it represents an excellent alternative for the solution of the MoM system of large-scale electromagnetic problems. Secondly, the direct evaluation method, which has proved to be the main reference in terms of efficiency and accuracy, is extended to overcome the computation of the challenging 4-D hyper-singular integrals arising in the Magnetic Field Integral Equation (MFIE) and Combined Field Integral Equation (CFIE) formulations. The maximum affordable accuracy --machine precision-- is obtained in a more than reasonable computation time, surpassing any other existing technique in the literature. Thirdly, the aforementioned hyper-singular integrals become near-singular when the discretized elements are very closely placed but not touching. It is shown how traditional integration rules fail to converge also in this case, and a possible solution based on more sophisticated integration rules, like the Double Exponential and the Gauss-Laguerre, is proposed. Finally, an effort to facilitate the usability of any antenna simulation software based on the MoM has led to the development of a general mathematical model of an excitation port in the discretized space. With this new model, it is no longer necessary to adapt the mesh edges to the port.

Cette thèse porte sur l'étude théorique et numérique des méthodes rapides pour résoudre les équations de l'élastodynamique 3D en domaine fréquentiel, et se place dans le cadre d'une collaboration avec la société Shell en vue d'optimiser la convergence des problèmes d'inversion sismique. La méthode repose sur l'utilisation des éléments finis de frontière (BEM) pour la discrétisation et sur les techniques de matrices hiérarchiques (H-matrices) pour l'accélération de la résolution du système linéaire. Dans le cadre de cette thèse on a développé un solveur direct pour les BEMs en utilisant une factorisation LU et un stockage hiérarchique. Si le concept des H-matrices est simple à comprendre, sa mise en oeuvre requiert des développements algorithmiques importants tels que la gestion de la multiplication de matrices représentées par des structures différentes (compressées ou non) qui ne comprend pas mois de 27 sous-cas. Un autre point délicat est l'utilisation des méthodes d'approximations par matrices compressées (de rang faible) dans le cadre des problèmes vectoriels. Une étude algorithmique a donc été faite pour mettre en oeuvre la méthode des H-matrices. Nous avons par ailleurs estimé théoriquement le rang faible attendu pour les noyaux oscillants, ce qui constitue une nouveauté, et montré que la méthode est utilisable en élastodynamique. En outre on a étudié l'influence des divers paramètres de la méthode en acoustique et en élastodynamique 3D, à fin de calibrer leur valeurs numériques optimales. Dans le cadre de la collaboration avec Shell, un cas test spécifique a été étudié. Il s'agit d'un problème de propagation d'une onde sismique dans un demi-espace élastique soumis à une force ponctuelle en surface. Enfin le solveur direct développé a été intégré au code COFFEE développé a POEMS (environ 25000 lignes en Fortran 90) / This thesis focuses on the theoretical and numerical study of fast methods to solve the equations of 3D elastodynamics in frequency-domain. We use the Boundary Element Method (BEM) as discretization technique, in association with the hierarchical matrices (H-matrices) technique for the fast solution of the resulting linear system. The BEM is based on a boundary integral formulation which requires the discretization of the only domain boundaries. Thus, this method is well suited to treat seismic wave propagation problems. A major drawback of classical BEM is that it results in dense matrices, which leads to high memory requirement (O (N 2 ), if N is the number of degrees of freedom) and computational costs.Therefore, the simulation of realistic problems is limited by the number of degrees of freedom. Several fast BEMs have been developed to improve the computational efficiency. We propose a fast H-matrix based direct BEM solver.