The estimation of truncation error by tau-estimation revisited

The aim of this paper was to accurately estimate the local truncation error of partial differential equations, that are numerically solved using a finite difference or finite volume approach on structured and unstructured meshes. In this work, we approximated the local truncation error using the @t-estimation procedure, which aims to compare the residuals on a sequence of grids with different spacing. First, we focused the analysis on one-dimensional scalar linear and non-linear test cases to examine the accuracy of the estimation of the truncation error for both finite difference and finite volume approaches on different grid topologies. Then, we extended the analysis to two-dimensional problems: first on linear and non-linear scalar equations and finally on the Euler equations. We demonstrated that this approach yields a highly accurate estimation of the truncation error if some conditions are fulfilled. These conditions are related to the accuracy of the restriction operators, the choice of the boundary conditions, the distortion of the grids and the magnitude of the iteration error.

Effect of Aspect Ratio on the Three-Dimensional Global Instability Analysis of Incompressible Open Cavity Flows

The stability analysis of open cavity flows is a problem of great interest in the aeronautical industry. This type of flow can appear, for example, in landing gears or auxiliary power unit configurations. Open cavity flows is very sensitive to any change in the configuration, either physical (incoming boundary layer, Reynolds or Mach numbers) or geometrical (length to depth and length to width ratio). In this work, we have focused on the effect of geometry and of the Reynolds number on the stability properties of a threedimensional spanwise periodic cavity flow in the incompressible limit. To that end, BiGlobal analysis is used to investigate the instabilities in this configuration. The basic flow is obtained by the numerical integration of the Navier-Stokes equations with laminar boundary layers imposed upstream. The 3D perturbation, assumed to be periodic in the spanwise direction, is obtained as the solution of the global eigenvalue problem. A parametric study has been performed, analyzing the stability of the flow under variation of the Reynolds number, the L/D ratio of the cavity, and the spanwise wavenumber β. For consistency, multidomain high order numerical schemes have been used in all the computations, either basic flow or eigenvalue problems. The results allow to define the neutral curves in the range of L/D = 1 to L/D = 3. A scaling relating the frequency of the eigenmodes and the length to depth ratio is provided, based on the analysis results.

Wave-like Disturbances on the Downstream Wall of an Open Cavity

This contribution presents results of an incompressible two-dimensional flow over an open cavity of fixed aspect ratio (length/depth) L/D = 2 and the coupling between the three dimensional low frequency oscillation mode confined in the cavity and the wave-like disturbances evolving on the downstream wall of the cavity in the form of Tollmien-Schlichting waves. BiGlobal instability analysis is conducted to search the global disturbances superimposed upon a two-dimensional steady basic flow. The base solution is computed by the integration of the laminar Navier-Stokes equations in primitive variable formulation, while the eigenvalue problem (EVP) derived from the discretization of the linearized equations of motion in the BiGlobal framework is solved using an iterative procedure. The formulation of the BiGlobal EVP for the unbounded flow in the open cavity problem introduces additional difficulties regarding the flow-through boundaries. Local analysis has been utilized for the determination of the proper boundary conditions in the upper limit of the downstream region

Topological invariance and spatial scaling of surface roughness in two highly eroded zones of Mexico: a comparative study

The Fractal Image Informatics toolbox (Oleschko et al., 2008 a; Torres-Argüelles et al., 2010) was applied to extract, classify and model the topological structure and dynamics of surface roughness in two highly eroded catchments of Mexico. Both areas are affected by gully erosion (Sidorchuk, 2005) and characterized by avalanche-like matter transport. Five contrasting morphological patterns were distinguished across the slope of the bare eroded surface of Faeozem (Queretaro State) while only one (apparently independent on the slope) roughness pattern was documented for Andosol (Michoacan State). We called these patterns ?the roughness clusters? and compared them in terms of metrizability, continuity, compactness, topological connectedness (global and local) and invariance, separability, and degree of ramification (Weyl, 1937). All mentioned topological measurands were correlated with the variance, skewness and kurtosis of the gray-level distribution of digital images. The morphology0 spatial dynamics of roughness clusters was measured and mapped with high precision in terms of fractal descriptors. The Hurst exponent was especially suitable to distinguish between the structure of ?turtle shell? and ?ramification? patterns (sediment producing zone A of the slope); as well as ?honeycomb? (sediment transport zone B) and ?dinosaur steps? and ?corals? (sediment deposition zone C) roughness clusters. Some other structural attributes of studied patterns were also statistically different and correlated with the variance, skewness and kurtosis of gray distribution of multiscale digital images. The scale invariance of classified roughness patterns was documented inside the range of five image resolutions. We conjectured that the geometrization of erosion patterns in terms of roughness clustering might benefit the most semi-quantitative models developed for erosion and sediment yield assessments (de Vente and Poesen, 2005).

Evaluación de obras de conservación de suelos en el Distrito de Coixtlahuaca (Oaxaca, México) y bases para actuaciones futuras.

En el Distrito de Coixtlahuaca (Estado de Oaxaca, México) desde antiguo se han realizado obras y prácticas de conservación de suelos que intentaran paliar su degradación como consecuencia de la sobreexplotación de las actividades humanas, como el pastoreo, sistemas de cultivo como la roza, tumba y quema o la obtención de leña; a lo que se une la propia la vulnerabilidad natural de sus recursos naturales y las complicadas condiciones climáticas y orográficas. Estos factores han acabado con graves pérdidas de suelo por erosión hídrica en el centro y sur del Distrito, dificultando o impidiendo el normal desarrollo de las actividades humanas más básicas, como la agricultura o el abastecimiento de agua, o las funciones propias del ecosistema, y derivando en otros de índole socioeconómica como la marginalidad o la emigración hacia los EE. UU. y otros Estados del país. Las obras de conservación de suelos en ladera son medidas de amplia difusión en el ámbito conservacionista y de lucha contra la erosión; y han sido objeto de numerosos Programas de Gobierno, sobre todo entre 1966 y 1974. Sin embargo, la eficacia nunca ha sido comprobada para dichas tecnologías ni para el Distrito de Coixtlahuaca, con lo que los esfuerzos retomados en la actualidad continúan la inercia de las obras de conservación realizadas en el pasado, a pesar de haber sido el centro de encendidos debates. La evaluación de las obras de conservación de suelos, objeto de este estudio, analiza su eficacia, sus beneficios en relación al coste, y sus repercusiones socioeconómicas, culturales y ambientales; para lo que se ha estudiado la influencia de las obras sobre los procesos erosivos y la erosionabilidad del suelo, e integrado los distintos puntos de vista de los grupos afectados. Ello ha permitido extraer conclusiones aplicables a las que se están ejecutando actualmente, y la posibilidad de optimizar los recursos económicos empleados desde el Gobierno, la Reserva de la Biosfera a la que pertenece parte del Distrito u otras instituciones y ONGs locales; así como los recursos humanos que con tanto esfuerzo aportan los propios habitantes. Junto a las mejoras que se proponen, se hace necesario reseñar los medios que faciliten la realización de las obras de conservación de suelos, no sólo en su financiación, sino también aquellos que permitan activar los mecanismos de cambio en una sociedad en la que ha renacido una incipiente voluntad por recuperar los recursos en que basan sus medios de vida. Una implementación cuya sostenibilidad, en última instancia, sólo se puede garantizar mediante la adopción de dichas tecnologías a través los beneficios observados por ellos mismos.

Numerical Error Prediction and its applications in CFD using tau-estimation

Nowadays, Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are widely used within the industry to model fluid flow phenomenons. Several fluid flow model equations have been employed in the last decades to simulate and predict forces acting, for example, on different aircraft configurations. Computational time and accuracy are strongly dependent on the fluid flow model equation and the spatial dimension of the problem considered. While simple models based on perfect flows, like panel methods or potential flow models can be very fast to solve, they usually suffer from a poor accuracy in order to simulate real flows (transonic, viscous). On the other hand, more complex models such as the full Navier- Stokes equations provide high fidelity predictions but at a much higher computational cost. Thus, a good compromise between accuracy and computational time has to be fixed for engineering applications. A discretisation technique widely used within the industry is the so-called Finite Volume approach on unstructured meshes. This technique spatially discretises the flow motion equations onto a set of elements which form a mesh, a discrete representation of the continuous domain. Using this approach, for a given flow model equation, the accuracy and computational time mainly depend on the distribution of nodes forming the mesh. Therefore, a good compromise between accuracy and computational time might be obtained by carefully defining the mesh. However, defining an optimal mesh for complex flows and geometries requires a very high level expertize in fluid mechanics and numerical analysis, and in most cases a simple guess of regions of the computational domain which might affect the most the accuracy is impossible. Thus, it is desirable to have an automatized remeshing tool, which is more flexible with unstructured meshes than its structured counterpart. However, adaptive methods currently in use still have an opened question: how to efficiently drive the adaptation ? Pioneering sensors based on flow features generally suffer from a lack of reliability, so in the last decade more effort has been made in developing numerical error-based sensors, like for instance the adjoint-based adaptation sensors. While very efficient at adapting meshes for a given functional output, the latter method is very expensive as it requires to solve a dual set of equations and computes the sensor on an embedded mesh. Therefore, it would be desirable to develop a more affordable numerical error estimation method. The current work aims at estimating the truncation error, which arises when discretising a partial differential equation. These are the higher order terms neglected in the construction of the numerical scheme. The truncation error provides very useful information as it is strongly related to the flow model equation and its discretisation. On one hand, it is a very reliable measure of the quality of the mesh, therefore very useful in order to drive a mesh adaptation procedure. On the other hand, it is strongly linked to the flow model equation, so that a careful estimation actually gives information on how well a given equation is solved, which may be useful in the context of _ -extrapolation or zonal modelling. The following work is organized as follows: Chap. 1 contains a short review of mesh adaptation techniques as well as numerical error prediction. In the first section, Sec. 1.1, the basic refinement strategies are reviewed and the main contribution to structured and unstructured mesh adaptation are presented. Sec. 1.2 introduces the definitions of errors encountered when solving Computational Fluid Dynamics problems and reviews the most common approaches to predict them. Chap. 2 is devoted to the mathematical formulation of truncation error estimation in the context of finite volume methodology, as well as a complete verification procedure. Several features are studied, such as the influence of grid non-uniformities, non-linearity, boundary conditions and non-converged numerical solutions. This verification part has been submitted and accepted for publication in the Journal of Computational Physics. Chap. 3 presents a mesh adaptation algorithm based on truncation error estimates and compares the results to a feature-based and an adjoint-based sensor (in collaboration with Jorge Ponsín, INTA). Two- and three-dimensional cases relevant for validation in the aeronautical industry are considered. This part has been submitted and accepted in the AIAA Journal. An extension to Reynolds Averaged Navier- Stokes equations is also included, where _ -estimation-based mesh adaptation and _ -extrapolation are applied to viscous wing profiles. The latter has been submitted in the Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. Keywords: mesh adaptation, numerical error prediction, finite volume Hoy en día, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es ampliamente utilizada dentro de la industria para obtener información sobre fenómenos fluidos. La Dinámica de Fluidos Computacional considera distintas modelizaciones de las ecuaciones fluidas (Potencial, Euler, Navier-Stokes, etc) para simular y predecir las fuerzas que actúan, por ejemplo, sobre una configuración de aeronave. El tiempo de cálculo y la precisión en la solución depende en gran medida de los modelos utilizados, así como de la dimensión espacial del problema considerado. Mientras que modelos simples basados en flujos perfectos, como modelos de flujos potenciales, se pueden resolver rápidamente, por lo general aducen de una baja precisión a la hora de simular flujos reales (viscosos, transónicos, etc). Por otro lado, modelos más complejos tales como el conjunto de ecuaciones de Navier-Stokes proporcionan predicciones de alta fidelidad, a expensas de un coste computacional mucho más elevado. Por lo tanto, en términos de aplicaciones de ingeniería se debe fijar un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Una técnica de discretización ampliamente utilizada en la industria es el método de los Volúmenes Finitos en mallas no estructuradas. Esta técnica discretiza espacialmente las ecuaciones del movimiento del flujo sobre un conjunto de elementos que forman una malla, una representación discreta del dominio continuo. Utilizando este enfoque, para una ecuación de flujo dado, la precisión y el tiempo computacional dependen principalmente de la distribución de los nodos que forman la malla. Por consiguiente, un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo se podría obtener definiendo cuidadosamente la malla, concentrando sus elementos en aquellas zonas donde sea estrictamente necesario. Sin embargo, la definición de una malla óptima para corrientes y geometrías complejas requiere un nivel muy alto de experiencia en la mecánica de fluidos y el análisis numérico, así como un conocimiento previo de la solución. Aspecto que en la mayoría de los casos no está disponible. Por tanto, es deseable tener una herramienta que permita adaptar los elementos de malla de forma automática, acorde a la solución fluida (remallado). Esta herramienta es generalmente más flexible en mallas no estructuradas que con su homóloga estructurada. No obstante, los métodos de adaptación actualmente en uso todavía dejan una pregunta abierta: cómo conducir de manera eficiente la adaptación. Sensores pioneros basados en las características del flujo en general, adolecen de una falta de fiabilidad, por lo que en la última década se han realizado grandes esfuerzos en el desarrollo numérico de sensores basados en el error, como por ejemplo los sensores basados en el adjunto. A pesar de ser muy eficientes en la adaptación de mallas para un determinado funcional, este último método resulta muy costoso, pues requiere resolver un doble conjunto de ecuaciones: la solución y su adjunta. Por tanto, es deseable desarrollar un método numérico de estimación de error más asequible. El presente trabajo tiene como objetivo estimar el error local de truncación, que aparece cuando se discretiza una ecuación en derivadas parciales. Estos son los términos de orden superior olvidados en la construcción del esquema numérico. El error de truncación proporciona una información muy útil sobre la solución: es una medida muy fiable de la calidad de la malla, obteniendo información que permite llevar a cabo un procedimiento de adaptación de malla. Está fuertemente relacionado al modelo matemático fluido, de modo que una estimación precisa garantiza la idoneidad de dicho modelo en un campo fluido, lo que puede ser útil en el contexto de modelado zonal. Por último, permite mejorar la precisión de la solución resolviendo un nuevo sistema donde el error local actúa como término fuente (_ -extrapolación). El presenta trabajo se organiza de la siguiente manera: Cap. 1 contiene una breve reseña de las técnicas de adaptación de malla, así como de los métodos de predicción de los errores numéricos. En la primera sección, Sec. 1.1, se examinan las estrategias básicas de refinamiento y se presenta la principal contribución a la adaptación de malla estructurada y no estructurada. Sec 1.2 introduce las definiciones de los errores encontrados en la resolución de problemas de Dinámica Computacional de Fluidos y se examinan los enfoques más comunes para predecirlos. Cap. 2 está dedicado a la formulación matemática de la estimación del error de truncación en el contexto de la metodología de Volúmenes Finitos, así como a un procedimiento de verificación completo. Se estudian varias características que influyen en su estimación: la influencia de la falta de uniformidad de la malla, el efecto de las no linealidades del modelo matemático, diferentes condiciones de contorno y soluciones numéricas no convergidas. Esta parte de verificación ha sido presentada y aceptada para su publicación en el Journal of Computational Physics. Cap. 3 presenta un algoritmo de adaptación de malla basado en la estimación del error de truncación y compara los resultados con sensores de featured-based y adjointbased (en colaboración con Jorge Ponsín del INTA). Se consideran casos en dos y tres dimensiones, relevantes para la validación en la industria aeronáutica. Este trabajo ha sido presentado y aceptado en el AIAA Journal. También se incluye una extensión de estos métodos a las ecuaciones RANS (Reynolds Average Navier- Stokes), en donde adaptación de malla basada en _ y _ -extrapolación son aplicados a perfiles con viscosidad de alas. Este último trabajo se ha presentado en los Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Journal of Aerospace Engineering. Palabras clave: adaptación de malla, predicción del error numérico, volúmenes finitos

Comparison of Mesh Adaptation Using the Adjoint Methodology and Truncation Error Estimates

Mesh adaptation based on error estimation has become a key technique to improve th eaccuracy o fcomputational-fluid-dynamics computations. The adjoint-based approach for error estimation is one of the most promising techniques for computational-fluid-dynamics applications. Nevertheless, the level of implementation of this technique in the aeronautical industrial environment is still low because it is a computationally expensive method. In the present investigation, a new mesh refinement method based on estimation of truncation error is presented in the context of finite-volume discretization. The estimation method uses auxiliary coarser meshes to estimate the local truncation error, which can be used for driving an adaptation algorithm. The method is demonstrated in the context of two-dimensional NACA0012 and three-dimensional ONERA M6 wing inviscid flows, and the results are compared against the adjoint-based approach and physical sensors based on features of the flow field.

An interpolation tool for aerodynamic mesh deformation problems based on octree decomposition

Desarrollo de algoritmo de interpolación basado en descomposición octree y funciones radiales de soporte compacto para movimiento de mallas en problemas aerolásticos

Computational Fluid Dynamics Expert System using Artificial Neural Networks

The design of a modern aircraft is based on three pillars: theoretical results, experimental test and computational simulations. As a results of this, Computational Fluid Dynamic (CFD) solvers are widely used in the aeronautical field. These solvers require the correct selection of many parameters in order to obtain successful results. Besides, the computational time spent in the simulation depends on the proper choice of these parameters. In this paper we create an expert system capable of making an accurate prediction of the number of iterations and time required for the convergence of a computational fluid dynamic (CFD) solver. Artificial neural network (ANN) has been used to design the expert system. It is shown that the developed expert system is capable of making an accurate prediction the number of iterations and time required for the convergence of a CFD solver.

Detecting periodicity with horizontal visibility graphs

The horizontal visibility algorithm was recently introduced as a mapping between time series and networks. The challenge lies in characterizing the structure of time series (and the processes that generated those series) using the powerful tools of graph theory. Recent works have shown that the visibility graphs inherit several degrees of correlations from their associated series, and therefore such graph theoretical characterization is in principle possible. However, both the mathematical grounding of this promising theory and its applications are in its infancy. Following this line, here we address the question of detecting hidden periodicity in series polluted with a certain amount of noise. We first put forward some generic properties of horizontal visibility graphs which allow us to define a (graph theoretical) noise reduction filter. Accordingly, we evaluate its performance for the task of calculating the period of noisy periodic signals, and compare our results with standard time domain (autocorrelation) methods. Finally, potentials, limitations and applications are discussed.

Optics detailed analysis of an improved collimation system for LED light sources

Optics detailed analysis of an improved collimation system for LED light sources

Constitución y rendimiento académico de los estudiantes de educación física. Estudio diferencial de aptitudes del estudiante del profesorado de educación física

Esta tesina es el resultado del esfuerzo personal y particular de una persona pero integrado en un proyecto colectivo de estudio, discusión, experimentación y verificación de hipótesis, que desde hace varios años venimos madurando, y cuyos frutos comienzan a recogerse. Tres campos se ofrecieron a nuestra meditación: el estudio de las tareas que caracterizan la función del profesional de la Educación Física; la descripción y análisis de las aptitudes convenientes para el desenvolvimiento en dichas tareas; la critica de los procesos de desarrollo y de las capacidades y los sistemas de formación. Los campos son el referido a la constitución corporal, a las aptitudes intelectuales, el rendimiento escolar y físico, y finalmente al aprendizaje motriz, principalmente. Los aspectos estudiados son: 1. Se ha tratado de aclarar cuál es el somatotipo característico del profesor de E.F., cuáles son las relaciones entre el hábito corporal y diversas variables de personalidad, de aptitudes, de rendimiento físico y escolar. 2. Se ha llevado a cabo, con gran cantidad de variables, un estudio sobre las dimensiones características de la personalidad y las relaciones de estos rasgos con diversos aspectos de aptitudes y entre grupos. 3. Por descontado en estos estudios se tienen en cuenta las diversas aptitudes físicas, psicomotrices, intelectuales (verbales, espaciales, razonamiento, etc.), relacionadas con diversos aspectos del potencial y rendimiento personales. 4. El rendimiento es un tema criterial importante, por eso se han buscado las relaciones entre los datos morfológicos, motrices, físicos, intelectuales, de personalidad. etc., y los resultados en el rendimiento académico, físico-deportivo, o motriz. 5. Finalmente nos interesa pasar al estudio de las comparaciones entre grupos, sobre todo cuando dentro del mismo “curriculum” escolar se pueden cursar diversas especialidades. Hemos llevado a cabo comparaciones sobre los aspectos aptitudinales, de rendimiento, personalidad, etc., para diversos grupos de Maestrías en Deportes. Por otra parte, se está procediendo a realizar comparaciones entre estudiantes de Educación Física, atletas, deportistas u otros estudiantes, referidas a ciertas variables. Como puede verse, es bastante extenso el campo de investigación, pero difícilmente podrá profundizarse en él, si no se cuenta con herramientas apropiadas. Por ahora, sólo hemos arañado con un tosco arado romano, pero creemos que la semilla no se secará y dará pequeñas cosas, como es esta tesina, cuyos argumentos contenidos, esquema experimental y resultados, servirán de apoyo a objetivos más ambiciosos.

Instability Analysis of Incompressible Open Cavity Flows

El problema del flujo sobre una cavidad abierta ha sido estudiado en profundidad en la literatura, tanto por el interés académico del problema como por sus aplicaciones prácticas en gran variedad de problemas ingenieriles, como puede ser el alojamiento del tren de aterrizaje de aeronaves, o el depósito de agua de aviones contraincendios. Desde hace muchos a˜nos se estudian los distintos tipos de inestabilidades asociadas a este problema: los modos bidimensionales en la capa de cortadura, y los modos tridimensionales en el torbellino de recirculación principal dentro de la cavidad. En esta tesis se presenta un estudio paramétrico completo del límite incompresible del problema, empleando la herramienta de estabilidad lineal conocida como BiGlobal. Esta aproximación permite contemplar la estabilidad global del flujo, y obtener tanto la forma como las características de los modos propios del problema físico, sean estables o inestables. El estudio realizado permite caracterizar con gran detalle todos los modos relevantes, así como la envolvente de estabilidad en el espacio paramétrico del problema incompresible (Mach nulo, variación de Reynolds, espesor de capa límite incidente, relación altura/profundidad de la cavidad, y longitud característica de la perturbación en la dirección transversal). A la luz de los resultados obtenidos se proponen una serie de relaciones entre los parámetros y características de los modos principales, como por ejemplo entre el Reynolds crítico de un modo, y la longitud característica del mismo. Los resultados numéricos se contrastan con una campaña experimental, siendo la principal conclusión de dicha comparación que los modos lineales están presentes en el flujo real saturado, pero que existen diferencias notables en frecuencia entre las predicciones teóricas y los experimentos. Para intentar determinar la naturaleza de dichas diferencias se realiza una simulación numérica directa tridimensional, y se utiliza un algoritmo de DMD (descomposición dinámica de modos) para describir el proceso de saturación. ABSTRACT The problem of the flow over an open cavity has been studied in depth in the literature, both for being an interesting academical problem and due to the multitude of industrial applications, like the landing gear of aircraft, or the water deposit of firefighter airplanes. The different types of instabilities appearing in this flow studied in the literature are two: the two-dimensional shear layer modes, and the three-dimensional modes that appear in the main recirculating vortex inside the cavity. In this thesis a parametric study in the incompressible limit of the problem is presented, using the linear stability analysis known as BiGlobal. This approximation allows to obtain the global stability behaviour of the flow, and to capture both the morphological features and the characteristics of the eigenmodes of the physical problem, whether they are stable or unstable. The study presented here characterizes with great detail all the relevant eigenmodes, as well as the hypersurface of instability on the parameter space of the incompressible problem (Mach equal to zero, and variation of the Reynolds number, the incoming boundary layer thickness, the length to depth aspect ratio of the cavity and the spanwise length of the perturbation). The results allow to construct parametric relations between the characteristics of the leading eigenmodes and the parameters of the problem, like for example the one existing between the critical Reynolds number and its characteristic length. The numerical results presented here are compared with those of an experimental campaign, with the main conclusion of said comparison being that the linear eigenmode are present in the real saturated flow, albeit with some significant differences in the frequencies of the experiments and those predicted by the theory. To try to determine the nature of those differences a three-dimensional direct numerical simulation, analyzed with Dynamic Mode Decomposition algorithm, was used to describe the process of saturation.

Truncation error estimation in the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method

En esta tesis, el método de estimación de error de truncación conocido como restimation ha sido extendido de esquemas de bajo orden a esquemas de alto orden. La mayoría de los trabajos en la bibliografía utilizan soluciones convergidas en mallas de distinto refinamiento para realizar la estimación. En este trabajo se utiliza una solución en una única malla con distintos órdenes polinómicos. Además, no se requiere que esta solución esté completamente convergida, resultando en el método conocido como quasi-a priori T-estimation. La aproximación quasi-a priori estima el error mientras el residuo del método iterativo no es despreciable. En este trabajo se demuestra que algunas de las hipótesis fundamentales sobre el comportamiento del error, establecidas para métodos de bajo orden, dejan de ser válidas en esquemas de alto orden, haciendo necesaria una revisión completa del comportamiento del error antes de redefinir el algoritmo. Para facilitar esta tarea, en una primera etapa se considera el método conocido como Chebyshev Collocation, limitando la aplicación a geometrías simples. La extensión al método Discontinuouos Galerkin Spectral Element Method presenta dificultades adicionales para la definición precisa y la estimación del error, debidos a la formulación débil, la discretización multidominio y la formulación discontinua. En primer lugar, el análisis se enfoca en leyes de conservación escalares para examinar la precisión de la estimación del error de truncación. Después, la validez del análisis se demuestra para las ecuaciones incompresibles y compresibles de Euler y Navier Stokes. El método de aproximación quasi-a priori r-estimation permite desacoplar las contribuciones superficiales y volumétricas del error de truncación, proveyendo información sobre la anisotropía de las soluciones así como su ratio de convergencia con el orden polinómico. Se demuestra que esta aproximación quasi-a priori produce estimaciones del error de truncación con precisión espectral. ABSTRACT In this thesis, the τ-estimation method to estimate the truncation error is extended from low order to spectral methods. While most works in the literature rely on fully time-converged solutions on grids with different spacing to perform the estimation, only one grid with different polynomial orders is used in this work. Furthermore, a non timeconverged solution is used resulting in the quasi-a priori τ-estimation method. The quasi-a priori approach estimates the error when the residual of the time-iterative method is not negligible. It is shown in this work that some of the fundamental assumptions about error tendency, well established for low order methods, are no longer valid in high order schemes, making necessary a complete revision of the error behavior before redefining the algorithm. To facilitate this task, the Chebyshev Collocation Method is considered as a first step, limiting their application to simple geometries. The extension to the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method introduces additional features to the accurate definition and estimation of the error due to the weak formulation, multidomain discretization and the discontinuous formulation. First, the analysis focuses on scalar conservation laws to examine the accuracy of the estimation of the truncation error. Then, the validity of the analysis is shown for the incompressible and compressible Euler and Navier Stokes equations. The developed quasi-a priori τ-estimation method permits one to decouple the interfacial and the interior contributions of the truncation error in the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method, and provides information about the anisotropy of the solution, as well as its rate of convergence in polynomial order. It is demonstrated here that this quasi-a priori approach yields a spectrally accurate estimate of the truncation error.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.