Development and analysis of numerical schemes asymptotic preserving in linear and nonlinear diffusion regimes

Développement et analyse de schémas numériques préservant les régimes asymptotiques de diffusion linéaire et non linéaire

Solène Bulteau (1)

1 LMJL - Laboratoire de Mathématiques Jean Leray

The aim of this work is to build and analyze schemes able to discretize the solutions of hyperbolic systems of conservation laws endowed with a source term. The main property required here is the preservation of the asymptotic behaviour, in other words the schemes must stay accurate in the diffusive regime, namely the long time and stiff source term regime. This manuscript is divided in two parts. The first one is dedicated to the presentation of a rigorous numerical convergence result for a scheme discretizing the solutions of the $p$-system. The convergence rate obtained is explicitly exhibited and coincides with the results obtained in the continuous and semi-discrete frameworks. The second part is devoted to the development of asymptotic preserving schemes and two methods are proposed. The first one is a generalization of the perturbed HLL method introduced by Berthon and Turpault in order to treat source terms of quadratic form and the second one is able to preserve both all the steady states and the diffusive limit.

Le but de cette thèse est de construire et analyser des schémas numériques capables de discrétiser les solutions de systèmes de lois de conservation hyperboliques avec terme source. La propriété principale recherchée dans ces travaux est la préservation de l’asymptotique, c’est-à-dire que les schémas développés doivent rester précis en régime de diffusion, à savoir en temps long et terme source raide. Ce manuscrit est divisé en deux parties. La première est consacrée à la présentation d’un résultat de convergence numérique rigoureux pour un schéma discrétisant les solutions du p-système. Le taux de convergence ainsi obtenu est exprimé explicitement et est en accord avec les résultats déjà connus dans les cadres continu et semi-discret. La seconde partie de ce manuscrit est dédiée au développement de schémas préservant l’asymptotique, pour lequel deux méthodes sont proposées. La première constitue une généralisation du schéma HLL perturbé proposé par Berthon et Turpault afin de traiter les termes sources de forme quadratique tandis que la deuxième méthode de construction exposée permet de préserver à la fois tous les états stationnaires et la limite de diffusion.

Mots clés: finite volume schemes; asymptotic preserving schemes; conservation laws with source term; shallow-water equations; well-balanced schemes

Mots clés: schémas volumes finis; schémas préservant l'asymptotique; lois de conservation avec terme source; équations de Saint-Venant; schémas équilibres

Domaines: Mathématiques [math]; Analyse numérique [math.NA]

Solène Bulteau. Développement et analyse de schémas numériques préservant les régimes asymptotiques de diffusion linéaire et non linéaire. Mathématiques [math]. Université de Nantes, Faculté des sciences et des techniques, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02354589⟩