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A new $\phi$-FEM approach for problems with natural boundary conditions

Authors :
Michel Duprez
Vanessa Lleras
Alexei Lozinski
Computational Anatomy and Simulation for Medicine (MIMESIS)
Inria Nancy - Grand Est
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
CEntre de REcherches en MAthématiques de la DEcision (CEREMADE)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Dauphine-PSL
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)
Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (IMAG)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Mathématiques de Besançon (UMR 6623) (LMB)
Université de Bourgogne (UB)-Université de Franche-Comté (UFC)
Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube)
École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Les Hôpitaux Universitaires de Strasbourg (HUS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg)
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Université Paris Dauphine-PSL
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Franche-Comté (UFC)
Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)-Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] (UBFC)
Source :
Numerical Methods for Partial Differential Equations, Numerical Methods for Partial Differential Equations, Wiley, In press, Numerical Methods for Partial Differential Equations, In press, 39 (1), pp.281-303. ⟨10.1002/num.22878⟩
Publication Year :
2020

Abstract

International audience; We present a new finite element method, called $φ$-FEM, to solve numerically elliptic partial differential equations with natural (Neumann or Robin) boundary conditions using simple computational grids, not fitted to the boundary of the physical domain. The boundary data are taken into account using a level-set function, which is a popular tool to deal with complicated or evolving domains. Our approach belongs to the family of fictitious domain methods (or immersed boundary methods) and is close to recent methods of cutFEM/XFEM type. Contrary to the latter, $φ$-FEM does not need any non-standard numerical integration on cut mesh elements or on the actual boundary, while assuring the optimal convergence orders with finite elements of any degree and providing reasonably well conditioned discrete problems. In the first version of $φ$-FEM, only essential (Dirichlet) boundary conditions was considered. Here, to deal with natural boundary conditions, we introduce the gradient of the primary solution as an auxiliary variable. This is done only on the mesh cells cut by the boundary, so that the size of the numerical system is only slightly increased . We prove theoretically the optimal convergence of our scheme and a bound on the discrete problem conditioning, independent of the mesh cuts. The numerical experiments confirm these results.

Details

Language :
English
ISSN :
0749159X and 10982426
Database :
OpenAIRE
Journal :
Numerical Methods for Partial Differential Equations, Numerical Methods for Partial Differential Equations, Wiley, In press, Numerical Methods for Partial Differential Equations, In press, 39 (1), pp.281-303. ⟨10.1002/num.22878⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....b36dd0f7eb68f3623a917f09644b7a9f
Full Text :
https://doi.org/10.1002/num.22878⟩