Boundary Element Methods for the Laplace Hypersingular Integral Equation on Multiscreens: a two-level Substructuring Preconditioner

We present a preconditioning method for the linear systems arising from the boundary element discretization of the Laplace hypersingular equation on a $2$-dimensional triangulated surface $\Gamma$ in $\mathbb{R}^3$. We allow $\Gamma$ to belong to a large class of geometries that we call polygonal multiscreens, which can be non-manifold. After introducing a new, simple conforming Galerkin discretization, we analyze a substructuring domain-decomposition preconditioner based on ideas originally developed for the Finite Element Method. The surface $\Gamma$ is subdivided into non-overlapping regions, and the application of the preconditioner is obtained via the solution of the hypersingular equation on each patch, plus a coarse subspace correction. We prove that the condition number of the preconditioned linear system grows poly-logarithmically with $H/h$, the ratio of the coarse mesh and fine mesh size, and our numerical results indicate that this bound is sharp. This domain-decomposition algorithm therefore guarantees significant speedups for iterative solvers, even when a large number of subdomains is used

Fast discrete convolution in R2 using Sparse Bessel Decomposition

We describe an efficient algorithm for computing the matrix vector products that appear in the numerical resolution of boundary integral equations in 2 space dimension. This work is an extension of the so-called Sparse Cardinal Sine Decomposition algorithm by Alouges et al., which is restricted to three-dimensional setups. Although the approach is similar, significant differences appear throughout the analysis of the method. Bessel decomposition, in particular, yield longer series for the same accuracy. We propose a careful study of the method that leads to a precise estimation of the complexity in terms of the number of points and chosen accuracy. We also provide numerical tests to demonstrate the efficiency of this approach. We give the compression performance for a N × N linear system for several values N up to 10^7 and report the computation time for the off-line and on-line parts of our algorithm. We also include a toy application to sound canceling to further illustrate the efficiency of our method

New preconditioners for Laplace and Helmholtz integral equations on open curves: II. Theoretical analysis

This paper is the second part of a work on Laplace and Helmholtz integral equations in 2 space dimensions on open curves. A new Galerkin method in weighted L 2 spaces together with new preconditioners for the weighted layer potentials are studied. This second part provides the theoretical analysis needed to establish the results announced in the first part. The main novelty is the introduction of a pseudo-differential calculus on open curves that allows to build parametrices for the weighted layer potentials. Contrarily to more classical approaches where the Mellin transform is used, this new approach is well-suited to the specific singularities that appear in the problem

Efficient methods for acoustic scattering in 2 and 3 dimensions : preconditioning on singular domains and fast convolution.

Cette thèse porte sur le problème de la diffration acoustique par un obstacle et sa résolution numérique par la méthode des éléments finis de frontière. Dans les trois premiers chapitres, on s'intéresse au cas où l'obstacle possède des singularités géométriques. Nous traitons le cas particulier des singularités de bord, courbes ouvertes en dimension 2, et surfaces ouvertes en dimension 3. Nous introduisons un formalisme qui permet de retrouver les bonnes propriétés de la méthode pour des objets réguliers. Une fonction de poids est définie sur les objets diffractant, et les opérateurs intégraux usuels (simple-couche et hypersingulier) sont renormalisés de manière adéquate par ce poids. Des préconditioneurs sont proposés sous la forme de racines carrées d'opérateurs locaux. En dimension 2, nous proposons une analyse théorique et numérique complète du problème. Nous montrons en particulier que les opérateurs intégraux renormalisés font partie d'une classe d'opérateurs pseudo-différentiels sur des courbes ouvertes, que nous introduisons et étudions ici. Le calcul pseudo-différentiel ainsi développé nous permet de calculer des paramétrices des les opérateurs intégraux qui correspondent aux versions continues de nos préconditionneurs. En dimension 3, nous montrons comment ces idées se généralisent théoriquement et numériquement dans le cas pour des surfaces ouvertes. Dans le dernier chapitre, nous introduisons une nouvelle méthode de calcul rapide des convolutions par des fonctions radiales en dimension 2, l'une des tâches les plus coûteuses en temps dans la méthode des éléments finis de frontière. Notre algorithme repose sur l'algorithme de transformée de Fourier rapide non uniforme, et est la généralisation un algorithme analogue disponible en dimension 3, la décomposition creuse en sinus cardinal.In this thesis, we are concerned with the numerical resolution of the problem of acoustic waves scattering by an obstacle in dimensions 2 and 3, with the boundary element method. In the first three chapters, we consider objects with singular geometries. We focus on the case of objects with edge singularities, first open curves in the plane, and then open surfaces in dimension 3. We present a formalism that allows to restore the good properties that held for smooth objects. A weight function is defined on the scattering object, and the usual layer potentials (single-layer and hypersingular) are adequately rescaled by this weight function. Suitable preconditioners are proposed, that take the form of square roots of local operators. In dimension 2, we give a complete theoretical and numerical analysis of the problem. We show in particular that the weighted layer potentials belong to a class of pseudo-differential operators on open curves that we define and analyze here. The pseudo-differential calculus thus developed allows us to compute parametrices for the weighted layer potentials, which correspond to the continuous versions of our preconditioners. In dimension 3, we show how those ideas can be extended theoretically and numerically, for the particular case of the scattering by an infinitely thin disk. In the last chapter, we present a new method for the rapid evaluation of discrete convolutions by radial functions in dimension 2. Such convolutions represent a computational bottleneck in the boundary element methods. Our algorithm relies on the non-uniform fast Fourier transform and generalizes to dimension 2 an analogous algorithm available in dimension 3, namely the sparse cardinal sine decomposition

Méthodes efficaces pour la diffraction acoustique en 2 et 3 dimensions : préconditionnement sur des domaines singuliers et convolution rapide.

In this thesis, we are concerned with the numerical resolution of the problem of acoustic waves scattering by an obstacle in dimensions 2 and 3, with the boundary element method. In the first three chapters, we consider objects with singular geometries. We focus on the case of objects with edge singularities, first open curves in the plane, and then open surfaces in dimension 3. We present a formalism that allows to restore the good properties that held for smooth objects. A weight function is defined on the scattering object, and the usual layer potentials (single-layer and hypersingular) are adequately rescaled by this weight function. Suitable preconditioners are proposed, that take the form of square roots of local operators. In dimension 2, we give a complete theoretical and numerical analysis of the problem. We show in particular that the weighted layer potentials belong to a class of pseudo-differential operators on open curves that we define and analyze here. The pseudo-differential calculus thus developed allows us to compute parametrices for the weighted layer potentials, which correspond to the continuous versions of our preconditioners. In dimension 3, we show how those ideas can be extended theoretically and numerically, for the particular case of the scattering by an infinitely thin disk. In the last chapter, we present a new method for the rapid evaluation of discrete convolutions by radial functions in dimension 2. Such convolutions represent a computational bottleneck in the boundary element methods. Our algorithm relies on the non-uniform fast Fourier transform and generalizes to dimension 2 an analogous algorithm available in dimension 3, namely the sparse cardinal sine decomposition.Cette thèse porte sur le problème de la diffration acoustique par un obstacle et sa résolution numérique par la méthode des éléments finis de frontière. Dans les trois premiers chapitres, on s'intéresse au cas où l'obstacle possède des singularités géométriques. Nous traitons le cas particulier des singularités de bord, courbes ouvertes en dimension 2, et surfaces ouvertes en dimension 3. Nous introduisons un formalisme qui permet de retrouver les bonnes propriétés de la méthode pour des objets réguliers. Une fonction de poids est définie sur les objets diffractant, et les opérateurs intégraux usuels (simple-couche et hypersingulier) sont renormalisés de manière adéquate par ce poids. Des préconditioneurs sont proposés sous la forme de racines carrées d'opérateurs locaux. En dimension 2, nous proposons une analyse théorique et numérique complète du problème. Nous montrons en particulier que les opérateurs intégraux renormalisés font partie d'une classe d'opérateurs pseudo-différentiels sur des courbes ouvertes, que nous introduisons et étudions ici. Le calcul pseudo-différentiel ainsi développé nous permet de calculer des paramétrices des les opérateurs intégraux qui correspondent aux versions continues de nos préconditionneurs. En dimension 3, nous montrons comment ces idées se généralisent théoriquement et numériquement dans le cas pour des surfaces ouvertes. Dans le dernier chapitre, nous introduisons une nouvelle méthode de calcul rapide des convolutions par des fonctions radiales en dimension 2, l'une des tâches les plus coûteuses en temps dans la méthode des éléments finis de frontière. Notre algorithme repose sur l'algorithme de transformée de Fourier rapide non uniforme, et est la généralisation un algorithme analogue disponible en dimension 3, la décomposition creuse en sinus cardinal