Stability of preconditioned finite volume schemes at low Mach numbers

In [4], Guillard and Viozat propose a finite volume method for the simulation of inviscid steady as well as unsteady flows at low Mach numbers, based on a preconditioning technique. The scheme satisfies the results of a single scale asymptotic analysis in a discrete sense and comprises the advantage that this can be derived by a slight modification of the dissipation term within the numerical flux function. Unfortunately, it can be observed by numerical experiments that the preconditioned approach combined with an explicit time integration scheme turns out to be unstable if the time step Dt does not satisfy the requirement to be O(M2) as the Mach number M tends to zero, whereas the corresponding standard method remains stable up to Dt=O(M), M to 0, which results from the well-known CFL-condition. We present a comprehensive mathematical substantiation of this numerical phenomenon by means of a von Neumann stability analysis, which reveals that in contrast to the standard approach, the dissipation matrix of the preconditioned numerical flux function possesses an eigenvalue growing like M-2 as M tends to zero, thus causing the diminishment of the stability region of the explicit scheme. Thereby, we present statements for both the standard preconditioner used by Guillard and Viozat [4] and the more general one due to Turkel [21]. The theoretical results are after wards confirmed by numerical experiments.

Praxisrelevante Auswirkungen des Vorschlages für eine EU-Verordnung KOM/2000/7/final, 2000/0212(COD) des europäischen Parlaments und des Rates von der Kommission der Europäischen Gemeinschaften auf die Verkehrsplanung des öffentlichen Personennahverkehrs

Die Arbeit behandelt den Vorschlag für eine EU-Verordnung KOM/2000/7/final, 2000/0212(COD) des europäischen Parlaments und des Rates von der Kommission der Europäischen Gemeinschaften als Grundlage einer Marktöffnungsverordnung und welche Veränderungen sich dadurch in Deutschland einstellen werden. Ausschreibungen von Verkehrsleistungen werden zunehmen. Die Ausschreibungsarten werden sich in ländlichen Regionen von denen in Verkehrszentren unterscheiden. In der Region werden sich Bedarfslösungen stärker durchsetzen. Kürzungen von Verkehrsleistungen werden hier stärker ausfallen als in den Zentren und damit zu einem kleineren Leistungsvolumen führen. Aufgrund des geringen Leistungsumfangs gibt es weniger Interessenten. Bei Standardausschreibungen werden deshalb auch häufig die Varianten der beschränkten oder die freihändige Vergabe gewählt. Funktionale Ausschreibungen haben nur eine untergeordnete Bedeutung. In den Verkehrszentren sind die Lose größer und damit für viele Anbieter interessant. Die Verkehrszusatzleistungen sind zudem komplexer. Standardausschreibungen in öffentlicher Vergabeart werden sich hier vermutlich als Norm durchsetzen. Die VOL/A wird sicherlich ihre Bedeutung und ihren dafür notwendigen Regelungsumfang in Deutschland als deutsches oder als europäisches Recht behalten. Ob der empfehlende Charakter der DIN EN 13816 Norm „ÖPNV: Definition, Festlegung von Leistungszielen und Messung der Servicequalität“ erhalten werden kann und nicht als Steuerungselement zur Standardisierung im ÖPNV beitragen wird, ist dabei zu bezweifeln. Durch diese Wettbewerbspflicht wird der Aufgabenträger zum Besteller von Verkehrsleistungen. Damit geht die Verkehrsplanung in die Verantwortung des Aufgabenträgers über und gerät stärker in den Einflussbereich der Politik. Die strategisch abstrakte und die konkrete Verkehrsplanung wachsen für den Normfall der Standardausschreibung zusammen. Die Hoffnung auf eine bessere Netzintegration und eine Standardisierung des ÖPNV Angebots und der ÖPNV Qualität entsteht. Es entwickelt sich dadurch aber auch die Gefahr der Abhängigkeit des Nahverkehrsangebots von der derzeitigen Haushaltslage oder der Interessenlage der Politik. Kontinuität in Angebot und Qualität werden zu erklärten Planungszielen. Der Verkehrsplaner auf der Bestellerseite muss die Planung in Ausschreibungsunterlagen umsetzen. Dies erfordert erweiterte Kompetenzen in den Bereichen Betriebswirtschaft, Logistik, Jura, Informatik und Führungskompetenzen. Ausbildende Institutionen müssen darauf bereits im Vorfeld der Umsetzung reagieren. Durch die zeitliche Verzögerung der Umsetzung der Planung durch die Ausschreibungsschritte sind in der Verkehrsplanung längere Planungsvorlaufzeiten einzukalkulieren. Vorausschauender zu planen, wird dabei wichtiger. Auch eventuelle Fehler in der Planung sind nicht mehr so einfach zu korrigieren. Durch den gestiegenen Einsatz von Technologien in den Fahrzeugen besteht für den Verkehrsplaner dafür häufiger die Möglichkeit, Planungsänderungen auf ihre Wirksamkeit im Hinblick auf Attraktivität für den Fahrgast anhand von den ermittelten Fahrgastzahlen zu kontrollieren. Dasselbe gilt auch für Marketing- und Vertriebsmaßnahmen, wie für die Tarifpolitik. Die Zahlen stehen nicht nur für diese Rückkopplung zur Verfügung, sondern dienen auch als Planungsgrundlage für zukünftige Maßnahmen. Dem Planer stehen konkretere Zahlen für die Planung zur Verfügung. Ein Aspekt, der aufgrund der Sanktionsmaßnahmen bei Ausschreibungen an Bedeutung gewinnen wird, ist die Möglichkeit, Qualität von Verkehrsleistungen möglichst objektiv beurteilen zu können. Praxisrelevante Auswirkungen auf die Verkehrsplanung des öffentlichen Personennahverkehrs ergeben sich hauptsächlich durch die gestiegene Komplexität in der Planung selbst und den dadurch unverzichtbaren gewordenen Einsatz von Computerunterstützung. Die Umsetzung in Ausschreibungsunterlagen der Planung und die Kontrolle stellen neue Elemente im Aufgabenbereich des Verkehrsplaners dar und erfordern damit breiter ausgelegte Kernkompetenzen. Es werden mehr Verkehrsplaner mit breiterer Ausbildung benötigt werden. Diese Arbeit hat aufgezeigt, dass sich mit der Integration des Ausschreibungsgedankens in den Ablauf der Verkehrsplanung eine sprunghafte Entwicklung in der Planungstätigkeit ergeben wird. Aufgrund der in Zukunft steigenden Qualität und Quantität der Planungsgrundlagen und der ebenfalls gestiegenen Ansprüche an die Bewertungsparameter ergeben sich Veränderungen und neue Anforderungen auf diesem Gebiet, die in erster Linie für die Hochschulen und andere ausbildende Einrichtungen, aber auch für die Verkehrsplanung unterstützende Industrie.

A High Order Finite Volume Scheme for the 2D Shallow Water Equations Including Topography

Inhalt dieser Arbeit ist ein Verfahren zur numerischen Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung, welche das Fließverhalten von Gewässern, deren Oberflächenausdehnung wesentlich größer als deren Tiefe ist, modelliert. Diese Gleichung beschreibt die gravitationsbedingte zeitliche Änderung eines gegebenen Anfangszustandes bei Gewässern mit freier Oberfläche. Diese Klasse beinhaltet Probleme wie das Verhalten von Wellen an flachen Stränden oder die Bewegung einer Flutwelle in einem Fluss. Diese Beispiele zeigen deutlich die Notwendigkeit, den Einfluss von Topographie sowie die Behandlung von Nass/Trockenübergängen im Verfahren zu berücksichtigen. In der vorliegenden Dissertation wird ein, in Gebieten mit hinreichender Wasserhöhe, hochgenaues Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung aus gegebenen Anfangs- und Randbedingungen auf einem unstrukturierten Gitter vorgestellt, welches in der Lage ist, den Einfluss topographischer Quellterme auf die Strömung zu berücksichtigen, sowie in sogenannten \glqq lake at rest\grqq-stationären Zuständen diesen Einfluss mit den numerischen Flüssen exakt auszubalancieren. Basis des Verfahrens ist ein Finite-Volumen-Ansatz erster Ordnung, welcher durch eine WENO Rekonstruktion unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate und eine sogenannte Space Time Expansion erweitert wird mit dem Ziel, ein Verfahren beliebig hoher Ordnung zu erhalten. Die im Verfahren auftretenden Riemannprobleme werden mit dem Riemannlöser von Chinnayya, LeRoux und Seguin von 1999 gelöst, welcher die Einflüsse der Topographie auf den Strömungsverlauf mit berücksichtigt. Es wird in der Arbeit bewiesen, dass die Koeffizienten der durch das WENO-Verfahren berechneten Rekonstruktionspolynome die räumlichen Ableitungen der zu rekonstruierenden Funktion mit einem zur Verfahrensordnung passenden Genauigkeitsgrad approximieren. Ebenso wird bewiesen, dass die Koeffizienten des aus der Space Time Expansion resultierenden Polynoms die räumlichen und zeitlichen Ableitungen der Lösung des Anfangswertproblems approximieren. Darüber hinaus wird die wohlbalanciertheit des Verfahrens für beliebig hohe numerische Ordnung bewiesen. Für die Behandlung von Nass/Trockenübergangen wird eine Methode zur Ordnungsreduktion abhängig von Wasserhöhe und Zellgröße vorgeschlagen. Dies ist notwendig, um in der Rechnung negative Werte für die Wasserhöhe, welche als Folge von Oszillationen des Raum-Zeit-Polynoms auftreten können, zu vermeiden. Numerische Ergebnisse die die theoretische Verfahrensordnung bestätigen werden ebenso präsentiert wie Beispiele, welche die hervorragenden Eigenschaften des Gesamtverfahrens in der Berechnung herausfordernder Probleme demonstrieren.