Augmented Galerkin schemes for the numerical solution of scattering by small obstacles

may, 2007
Publication type:
Research report
Keywords :
WIRE/SMALL OBSTACLE/SCATTERING/FINITE ELEMENT/HOLLAND MODEL/SINGULAR FUNCTION METHOD/HELHOLTZ EQUATION
Abstract:
In the context of electromagnetic wave propagation, we wish to adress the scattering problem from perfectly conducting thin wires. For numerical simulations, assuming their thickness to be much smaller than the wavelength of the incident field, it is not possible to take these obstacles into account without encountering problems of numerical locking.\\ \quad The Holland model, widely used in finite difference schemes, provides a pragmatic solution to this problem, by modifying the numerical scheme on vertices located in the neighbourhood of the wires. So far this model has not received any real theoretical justification, and involves a parameter, named lineic inductance, which is to be chosen on the basis of heuristic considerations.\\ \quad We are interested in the simplified problem of a bidimensional acoustic wave propagation in a medium including a small obstacle with homogeneous Dirichlet boundary condition. We present and analyse a numerical scheme suitable for finite elements that does not suffer from numerical locking, and takes the presence of the small obstacle into account. It is based on a combination between the fictitious domain method and matched asymptotic expansions. This results into a systematic generalization to the Holland model including an automatic computation of the lineic inductance. Our analysis leads to the first (to our knowledge) justification of this type of model.
Abstract (translation) :
Dans le contexte de la propagation des ondes electromagnétiques, nous nous intéressons au problème de diffraction par des fils minces parfaitement conducteurs. Si l'on suppose que leur épaisseur est bien plus petite que la longueur d'onde caractéritique de l'onde incidente, il n'est pas posible de prendre en compte des fils minces sans faire face à un problème de verrouillage numérique.\\ Le modèle de Holland, largement utilisé dans les codes différences finis, fournit une solution pragmatique à ce problème, en modifiant le schéma numérique sur quelques noeuds du maillage avoisinant les fils. Jusqu'à présent ce modèle n'a pas re\c cu de justification théorique solide, et il implique un paramètre appelé l'inductance linéique, qu'il doit être choisi suivant des considértions heuristiques.\\ \quad Nous nous intéressons ici au problème modèle de la diffraction acourtique par un petit obstacle, avec condition de Dirichlet au bord, en deux dimensions dans un milieu homogène. Nous présentons et analysons un schéma numérique qui est compatible avec les méthodes éléments finis standards (sans raffinement de maillage) et ne souffre de verrouillage numérique. Ce schéma mélange des techniques d'analyse asymptotique avec une formulation de type domaine fictif. Suivant les résultats que nous démontrons sur ce schéma, nous aboutissons à une généralisation du modèle de Holland et à un calcul automatique de l'inductance linéique. Notre analyse amène, à notre connaissance, à la première justification théorique de ce type de modèle.
BibTeX:
@techreport{Cla-Col-2007-2,
    author={Xavier Claeys and Francis Collino },
    title={Augmented Galerkin schemes for the numerical solution of 
           scattering by small obstacles },
    year={2007 },
    month={5},
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