Development of AMREM: a Maxwell's equations solver with Adaptive Mesh Refinement

El principal objetivo de la presente tesis es el de desarrollar y probar un código capaz de resolver las ecuaciones de Maxwell en el dominio del tiempo con Malla Refinada Adaptativa (AMR por sus siglas en inglés). AMR es una técnica de cálculo basada en dividir el dominio físico del problema en distintas mallas rectangulares paralelas a las direcciones cartesianas. Cada una de las mallas tendrá distinta resolución y aquellas con mayor resolución se sitúan allí dónde las ondas electromagnéticas se propagan o interaccionan con los materiales, es decir, dónde mayor precisión es requerida. Como las ondas van desplazándose por todo el dominio, las mayas deberán seguirlas. El principal problema al utilizar esta metodología se puede encontrar en las fronteras internas, dónde las distintas mallas se unen. Ya que el método más corrientemente utilizado para resolver las ecuaciones de Maxwell es el de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD por sus siglas en inglés) , el trabajo comenzó tratando de adaptar AMR a FDTD. Tras descubrirse que esta interacción resultaba en problemas de inestabilidades en las fronteras internas antes citadas, se decidió cambiar a un método basado en volúmenes finitos en el dominio del tiempo (FVTD por sus siglas en inglés). Este se basa en considerar la forma en ecuaciones de conservación de las ecuaciones de Maxwell y aplicar a su resolución un esquema de Godunov. Se ha probado que es clave para el correcto funcionamiento del código la elección de un limitador de flujo que proteja los extremos de la onda de la disipación típica de los métodos de este tipo. Otro problema clásico a la hora de resolver las ecuaciones de Maxwell es el de tratar con las condiciones de frontera física cuando se simulan dominios no acotados, es decir, dónde las ondas deben salir del sistema sin producir ninguna reflexión. Normalmente la solución es la de disponer una banda absorbente en las fronteras físicas. En AMREM se ha desarrollado un nuevo método basado en los campos característicos que con menor requisito de CPU funcina suficientemente bien incluso en los casos más desfaborables. El código ha sido contrastado con soluciones analíticas de diferentes problemas y también su velocidad ha sido comparada con la de Meep, uno de los programas más conocidos del ámbito. También algunas aplicaciones han sido simuladas con el fin de demostrar el amplio espectro de campos en los que AMREM puede funcionar como una útil herramienta.

Debonding detection of FRP strengthened concrete beams by using impedance measurements and an ensemble PSO adaptive spectral model

An impedance-based midspan debonding identification method for RC beams strengthened with FRP strips is presented in this paper using piezoelectric ceramic (PZT) sensor?actuators. To reach this purpose, firstly, a two-dimensional electromechanical impedance model is proposed to predict the electrical admittance of the PZT transducer bonded to the FRP strips of an RC beam. Considering the impedance is measured in high frequencies, a spectral element model of the bonded-PZT?FRP strengthened beam is developed. This model, in conjunction with experimental measurements of PZT transducers, is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding of these kinds of structures. To improve the performance and accuracy of the detection algorithm in a challenging problem such as ours, the structural health monitoring approach is solved with an ensemble process based on particle of swarm. An adaptive mesh scheme has also been developed to increase the reliability in locating the area in which debonding initiates. Predictions carried out with experimental results have showed the effectiveness and potential of the proposed method to detect prematurely at its earliest stages a critical failure mode such as that due to midspan debonding of the FRP strip.

A comparison between PML, infinite elements and an iterative BEM as mesh truncation methods for HP self-adaptive procedures in electromagnetics

Finite element hp-adaptivity is a technology that allows for very accurate numerical solutions. When applied to open region problems such as radar cross section prediction or antenna analysis, a mesh truncation method needs to be used. This paper compares the following mesh truncation methods in the context of hp-adaptive methods: Infinite Elements, Perfectly Matched Layers and an iterative boundary element based methodology. These methods have been selected because they are exact at the continuous level (a desirable feature required by the extreme accuracy delivered by the hp-adaptive strategy) and they are easy to integrate with the logic of hp-adaptivity. The comparison is mainly based on the number of degrees of freedom needed for each method to achieve a given level of accuracy. Computational times are also included. Two-dimensional examples are used, but the conclusions directly extrapolated to the three dimensional case.

Adaptive Refinements in BEM

Accuracy estimates and adaptive refinements is nowadays one of the main research topics in finite element computations [6,7,8, 9,11].Its extension to Boundary Elements has been tried as a means to better understand its capabilities as well as to impro ve its efficiency and its obvious advantages. The possibility of implementing adaptive techniques was shown [1,2] for h-conver gence and p-convergence respectively. Some posterior works [3,4 5,10] have shown the promising results that can be expected from those techniques. The main difficulty is associated to the reasonable establishment of “estimation” and “indication” factors related to the global and local errors in each refinement. Although some global measures have been used it is clear that the reduction in dimension intrinsic to boundary elements (3D→2D: 2D→1D) could allow a direct comparison among residuals using the graphic possibilities of modern computers and allowing a point-to-point comparison in place of the classical global approaches. Nevertheless an indicator generalizing the well known Peano’s one has been produced.

A three-dimensional self-adaptive hp finite element method for the characterization of waveguide discontinuities

We propose the use of a highly-accurate three-dimensional (3D) fully automatic hp-adaptive finite element method (FEM) for the characterization of rectangular waveguide discontinuities. These discontinuities are either the unavoidable result of mechanical/electrical transitions or deliberately introduced in order to perform certain electrical functions in modern communication systems. The proposed numerical method combines the geometrical flexibility of finite elements with an accuracy that is often superior to that provided by semi-analytical methods. It supports anisotropic refinements on irregular meshes with hanging nodes, and isoparametric elements. It makes use of hexahedral elements compatible with high-order H(curl)H(curl) discretizations. The 3D hp-adaptive FEM is applied for the first time to solve a wide range of 3D waveguide discontinuity problems of microwave communication systems in which exponential convergence of the error is observed.

Efficient adaptive methods based on adjoint equations and truncation error estimation for unstructured grids

El propósito de esta tesis es la implementación de métodos eficientes de adaptación de mallas basados en ecuaciones adjuntas en el marco de discretizaciones de volúmenes finitos para mallas no estructuradas. La metodología basada en ecuaciones adjuntas optimiza la malla refinándola adecuadamente con el objetivo de mejorar la precisión de cálculo de un funcional de salida dado. El funcional suele ser una magnitud escalar de interés ingenieril obtenida por post-proceso de la solución, como por ejemplo, la resistencia o la sustentación aerodinámica. Usualmente, el método de adaptación adjunta está basado en una estimación a posteriori del error del funcional de salida mediante un promediado del residuo numérico con las variables adjuntas, “Dual Weighted Residual method” (DWR). Estas variables se obtienen de la solución del problema adjunto para el funcional seleccionado. El procedimiento habitual para introducir este método en códigos basados en discretizaciones de volúmenes finitos involucra la utilización de una malla auxiliar embebida obtenida por refinamiento uniforme de la malla inicial. El uso de esta malla implica un aumento significativo de los recursos computacionales (por ejemplo, en casos 3D el aumento de memoria requerida respecto a la que necesita el problema fluido inicial puede llegar a ser de un orden de magnitud). En esta tesis se propone un método alternativo basado en reformular la estimación del error del funcional en una malla auxiliar más basta y utilizar una técnica de estimación del error de truncación, denominada _ -estimation, para estimar los residuos que intervienen en el método DWR. Utilizando esta estimación del error se diseña un algoritmo de adaptación de mallas que conserva los ingredientes básicos de la adaptación adjunta estándar pero con un coste computacional asociado sensiblemente menor. La metodología de adaptación adjunta estándar y la propuesta en la tesis han sido introducidas en un código de volúmenes finitos utilizado habitualmente en la industria aeronáutica Europea. Se ha investigado la influencia de distintos parámetros numéricos que intervienen en el algoritmo. Finalmente, el método propuesto se compara con otras metodologías de adaptación de mallas y su eficiencia computacional se demuestra en una serie de casos representativos de interés aeronáutico. ABSTRACT The purpose of this thesis is the implementation of efficient grid adaptation methods based on the adjoint equations within the framework of finite volume methods (FVM) for unstructured grid solvers. The adjoint-based methodology aims at adapting grids to improve the accuracy of a functional output of interest, as for example, the aerodynamic drag or lift. The adjoint methodology is based on the a posteriori functional error estimation using the adjoint/dual-weighted residual method (DWR). In this method the error in a functional output can be directly related to local residual errors of the primal solution through the adjoint variables. These variables are obtained by solving the corresponding adjoint problem for the chosen functional. The common approach to introduce the DWR method within the FVM framework involves the use of an auxiliary embedded grid. The storage of this mesh demands high computational resources, i.e. over one order of magnitude increase in memory relative to the initial problem for 3D cases. In this thesis, an alternative methodology for adapting the grid is proposed. Specifically, the DWR approach for error estimation is re-formulated on a coarser mesh level using the _ -estimation method to approximate the truncation error. Then, an output-based adaptive algorithm is designed in such way that the basic ingredients of the standard adjoint method are retained but the computational cost is significantly reduced. The standard and the new proposed adjoint-based adaptive methodologies have been incorporated into a flow solver commonly used in the EU aeronautical industry. The influence of different numerical settings has been investigated. The proposed method has been compared against different grid adaptation approaches and the computational efficiency of the new method has been demonstrated on some representative aeronautical test cases.