Geometric integration applied to moving mesh methods and degenerate Lagrangians

Moving mesh methods (also called r-adaptive methods) are space-adaptive strategies used for the numerical simulation of time-dependent partial differential equations. These methods keep the total number of mesh points fixed during the simulation, but redistribute them over time to follow the areas where a higher mesh point density is required. There are a very limited number of moving mesh methods designed for solving field-theoretic partial differential equations, and the numerical analysis of the resulting schemes is challenging. In this thesis we present two ways to construct r-adaptive variational and multisymplectic integrators for (1+1)-dimensional Lagrangian field theories. The first method uses a variational discretization of the physical equations and the mesh equations are then coupled in a way typical of the existing r-adaptive schemes. The second method treats the mesh points as pseudo-particles and incorporates their dynamics directly into the variational principle. A user-specified adaptation strategy is then enforced through Lagrange multipliers as a constraint on the dynamics of both the physical field and the mesh points. We discuss the advantages and limitations of our methods. The proposed methods are readily applicable to (weakly) non-degenerate field theories---numerical results for the Sine-Gordon equation are presented.

In an attempt to extend our approach to degenerate field theories, in the last part of this thesis we construct higher-order variational integrators for a class of degenerate systems described by Lagrangians that are linear in velocities. We analyze the geometry underlying such systems and develop the appropriate theory for variational integration. Our main observation is that the evolution takes place on the primary constraint and the 'Hamiltonian' equations of motion can be formulated as an index 1 differential-algebraic system. We then proceed to construct variational Runge-Kutta methods and analyze their properties. The general properties of Runge-Kutta methods depend on the 'velocity' part of the Lagrangian. If the 'velocity' part is also linear in the position coordinate, then we show that non-partitioned variational Runge-Kutta methods are equivalent to integration of the corresponding first-order Euler-Lagrange equations, which have the form of a Poisson system with a constant structure matrix, and the classical properties of the Runge-Kutta method are retained. If the 'velocity' part is nonlinear in the position coordinate, we observe a reduction of the order of convergence, which is typical of numerical integration of DAEs. We also apply our methods to several models and present the results of our numerical experiments.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Advances in sequential data assimilation and numerical weather forecasting: an Ensemble Transform Kalman-Bucy Filter, a study on clustering in deterministic Ensemble Square Root Filters, and a test of a new time stepping scheme in an atmospheric model

This dissertation deals with aspects of sequential data assimilation (in particular ensemble Kalman filtering) and numerical weather forecasting. In the first part, the recently formulated Ensemble Kalman-Bucy (EnKBF) filter is revisited. It is shown that the previously used numerical integration scheme fails when the magnitude of the background error covariance grows beyond that of the observational error covariance in the forecast window. Therefore, we present a suitable integration scheme that handles the stiffening of the differential equations involved and doesn’t represent further computational expense. Moreover, a transform-based alternative to the EnKBF is developed: under this scheme, the operations are performed in the ensemble space instead of in the state space. Advantages of this formulation are explained. For the first time, the EnKBF is implemented in an atmospheric model. The second part of this work deals with ensemble clustering, a phenomenon that arises when performing data assimilation using of deterministic ensemble square root filters in highly nonlinear forecast models. Namely, an M-member ensemble detaches into an outlier and a cluster of M-1 members. Previous works may suggest that this issue represents a failure of EnSRFs; this work dispels that notion. It is shown that ensemble clustering can be reverted also due to nonlinear processes, in particular the alternation between nonlinear expansion and compression of the ensemble for different regions of the attractor. Some EnSRFs that use random rotations have been developed to overcome this issue; these formulations are analyzed and their advantages and disadvantages with respect to common EnSRFs are discussed. The third and last part contains the implementation of the Robert-Asselin-Williams (RAW) filter in an atmospheric model. The RAW filter is an improvement to the widely popular Robert-Asselin filter that successfully suppresses spurious computational waves while avoiding any distortion in the mean value of the function. Using statistical significance tests both at the local and field level, it is shown that the climatology of the SPEEDY model is not modified by the changed time stepping scheme; hence, no retuning of the parameterizations is required. It is found the accuracy of the medium-term forecasts is increased by using the RAW filter.

Comparison of methodologies for degree-day estimation using numerical methods

O desenvolvimento de projetos relacionados ao desempenho de diversas culturas tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporado a modelos matemáticos sendo indispensável à utilização de equações cada vez mais consistentes que possibilitem previsão e maior aproximação do comportamento real, diminuindo o erro na obtenção das estimativas. Entre as operações unitárias que demandam maior estudo estão aquelas relacionadas com o crescimento da cultura, caracterizadas pela temperatura ideal para o acréscimo de matéria seca. Pelo amplo uso dos métodos matemáticos na representação, análise e obtenção de estimativas de graus-dia, juntamente com a grande importância que a cultura da cana-de-açúcar tem para a economia brasileira, foi realizada uma avaliação dos modelos matemáticos comumente usados e dos métodos numéricos de integração na estimativa da disponibilidade de graus-dia para essa cultura, na região de Botucatu, Estado de São Paulo. Os modelos de integração, com discretização de 6 em 6 h, apresentaram resultados satisfatórios na estimativa de graus-dia. As metodologias tradicionais apresentaram desempenhos satisfatórios quanto à estimativa de grausdia com base na curva de temperatura horária para cada dia e para os agrupamentos de três, sete, 15 e 30 dias. Pelo método numérico de integração, a região de Botucatu, Estado de São Paulo, apresentou disponibilidade térmica anual média de 1.070,6 GD para a cultura da cana-de-açúcar.

An analytical and numerical study of plane change maneuvers using aerodynamic force

The goal of the present work is to analyze space missions that use the terrestrial atmosphere to accomplish orbital maneuvers that involve a plane change. A set of analytical solutions is presented for the variation of the orbital elements due to a single passage through the atmosphere, assuming that the interval the spacecraft travels through the atmosphere is not too large. The study considers both the lift influence on the spacecraft orbit as well as drag. The final equations are tested with numerical integration and can be considered in accordance with the numerical results whenever the perigee height is larger than a critical value. Next, a numerical study of the ratio between the velocity increment required to correct the semimajor axis decay due to the atmospheric passage and the velocity variation required to obtain the change in the inclination is also presented. This analysis can be used to decide if a maneuver passing through the atmosphere can decrease the fuel consumption of the mission and, in the cases where this technique can be used, if a multiple passage is more efficient than a single passage.

Numerical loop calculations with contour deformation

Gegenstand dieser Arbeit ist die nummerische Berechnung von Schleifenintegralen welche in höheren Ordnungen der Störungstheorie auftreten.rnAnalog zur reellen Emission kann man auch in den virtuellen Beiträgen Subtraktionsterme einführen, welche die kollinearen und soften Divergenzen des Schleifenintegrals entfernen. Die Phasenraumintegration und die Schleifenintegration können dann in einer einzigen Monte Carlo Integration durchgeführt werden. In dieser Arbeit zeigen wir wie eine solche numerische Integration unter zu Hilfenahme einer Kontourdeformation durchgeführt werden kann. Ausserdem zeigen wir wie man die benötigeten Integranden mit Rekursionsformeln berechnen kann.

Numerical model for the study of hydrodynamics on bays and estuaries

A nonlinear implicit finite element model for the solution of two-dimensional (2-D) shallow water equations, based on a Galerkin formulation of the 2-D estuaries hydrodynamic equations, has been developed. Spatial discretization has been achieved by the use of isoparametric, Lagrangian elements. To obtain the different element matrices, Simpson numerical integration has been applied. For time integration of the model, several schemes in finite differences have been used: the Cranck-Nicholson iterative method supplies a superior accuracy and allows us to work with the greatest time step Δt; however, central differences time integration produces a greater velocity of calculation. The model has been tested with different examples to check its accuracy and advantages in relation to computation and handling of matrices. Finally, an application to the Bay of Santander is also presented.

Numerical integrators for stiff and highly oscillatory differential equations /

Bibliography: p. 27-28.

Evaluation of an integration technique for the solution of nonlinear equations.

Thesis (M.S.)--University of Illinois at Urbana-Champaign.

Future developments in stiff integration techniques : stability of methods that do not use an exact Jacobian /

"COO-2383-0035."

Automatic integration of the heat equation /

Thesis (M. Sc.)--University of Illinois at Urbana-Champaign.

The automatic integration package for ordinary differential equations,

"COO-1469-0103."

Geometric integration theory

Mode of access: Internet.

Krylov subspace approximations for the exponential Euler method: Error estimates and the harmonic Ritz approximant

We study Krylov subspace methods for approximating the matrix-function vector product φ(tA)b where φ(z) = [exp(z) - 1]/z. This product arises in the numerical integration of large stiff systems of differential equations by the Exponential Euler Method, where A is the Jacobian matrix of the system. Recently, this method has found application in the simulation of transport phenomena in porous media within mathematical models of wood drying and groundwater flow. We develop an a posteriori upper bound on the Krylov subspace approximation error and provide a new interpretation of a previously published error estimate. This leads to an alternative Krylov approximation to φ(tA)b, the so-called Harmonic Ritz approximant, which we find does not exhibit oscillatory behaviour of the residual error.

Some novel techniques of parameter estimation for the dynamical models in biological systems

Inverse problems based on using experimental data to estimate unknown parameters of a system often arise in biological and chaotic systems. In this paper, we consider parameter estimation in systems biology involving linear and non-linear complex dynamical models, including the Michaelis–Menten enzyme kinetic system, a dynamical model of competence induction in Bacillus subtilis bacteria and a model of feedback bypass in B. subtilis bacteria. We propose some novel techniques for inverse problems. Firstly, we establish an approximation of a non-linear differential algebraic equation that corresponds to the given biological systems. Secondly, we use the Picard contraction mapping, collage methods and numerical integration techniques to convert the parameter estimation into a minimization problem of the parameters. We propose two optimization techniques: a grid approximation method and a modified hybrid Nelder–Mead simplex search and particle swarm optimization (MH-NMSS-PSO) for non-linear parameter estimation. The two techniques are used for parameter estimation in a model of competence induction in B. subtilis bacteria with noisy data. The MH-NMSS-PSO scheme is applied to a dynamical model of competence induction in B. subtilis bacteria based on experimental data and the model for feedback bypass. Numerical results demonstrate the effectiveness of our approach.