IMEX finite volume methods for the shallow water equations

Die Flachwassergleichungen (SWE) sind ein hyperbolisches System von Bilanzgleichungen, die adäquate Approximationen an groß-skalige Strömungen der Ozeane, Flüsse und der Atmosphäre liefern. Dabei werden Masse und Impuls erhalten. Wir unterscheiden zwei charakteristische Geschwindigkeiten: die Advektionsgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit des Massentransports, und die Geschwindigkeit von Schwerewellen, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen, die Energie und Impuls tragen. Die Froude-Zahl ist eine Kennzahl und ist durch das Verhältnis der Referenzadvektionsgeschwindigkeit zu der Referenzgeschwindigkeit der Schwerewellen gegeben. Für die oben genannten Anwendungen ist sie typischerweise sehr klein, z.B. 0.01. Zeit-explizite Finite-Volume-Verfahren werden am öftersten zur numerischen Berechnung hyperbolischer Bilanzgleichungen benutzt. Daher muss die CFL-Stabilitätsbedingung eingehalten werden und das Zeitinkrement ist ungefähr proportional zu der Froude-Zahl. Deswegen entsteht bei kleinen Froude-Zahlen, etwa kleiner als 0.2, ein hoher Rechenaufwand. Ferner sind die numerischen Lösungen dissipativ. Es ist allgemein bekannt, dass die Lösungen der SWE gegen die Lösungen der Seegleichungen/ Froude-Zahl Null SWE für Froude-Zahl gegen Null konvergieren, falls adäquate Bedingungen erfüllt sind. In diesem Grenzwertprozess ändern die Gleichungen ihren Typ von hyperbolisch zu hyperbolisch.-elliptisch. Ferner kann bei kleinen Froude-Zahlen die Konvergenzordnung sinken oder das numerische Verfahren zusammenbrechen. Insbesondere wurde bei zeit-expliziten Verfahren falsches asymptotisches Verhalten (bzgl. der Froude-Zahl) beobachtet, das diese Effekte verursachen könnte.Ozeanographische und atmosphärische Strömungen sind typischerweise kleine Störungen eines unterliegenden Equilibriumzustandes. Wir möchten, dass numerische Verfahren für Bilanzgleichungen gewisse Equilibriumzustände exakt erhalten, sonst können künstliche Strömungen vom Verfahren erzeugt werden. Daher ist die Quelltermapproximation essentiell. Numerische Verfahren die Equilibriumzustände erhalten heißen ausbalanciert.rnrnIn der vorliegenden Arbeit spalten wir die SWE in einen steifen, linearen und einen nicht-steifen Teil, um die starke Einschränkung der Zeitschritte durch die CFL-Bedingung zu umgehen. Der steife Teil wird implizit und der nicht-steife explizit approximiert. Dazu verwenden wir IMEX (implicit-explicit) Runge-Kutta und IMEX Mehrschritt-Zeitdiskretisierungen. Die Raumdiskretisierung erfolgt mittels der Finite-Volumen-Methode. Der steife Teil wird mit Hilfe von finiter Differenzen oder au eine acht mehrdimensional Art und Weise approximniert. Zur mehrdimensionalen Approximation verwenden wir approximative Evolutionsoperatoren, die alle unendlich viele Informationsausbreitungsrichtungen berücksichtigen. Die expliziten Terme werden mit gewöhnlichen numerischen Flüssen approximiert. Daher erhalten wir eine Stabilitätsbedingung analog zu einer rein advektiven Strömung, d.h. das Zeitinkrement vergrößert um den Faktor Kehrwert der Froude-Zahl. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Verfahren sind asymptotisch erhaltend und ausbalanciert. Die asymptotischer Erhaltung stellt sicher, dass numerische Lösung das "korrekte" asymptotische Verhalten bezüglich kleiner Froude-Zahlen besitzt. Wir präsentieren Verfahren erster und zweiter Ordnung. Numerische Resultate bestätigen die Konvergenzordnung, so wie Stabilität, Ausbalanciertheit und die asymptotische Erhaltung. Insbesondere beobachten wir bei machen Verfahren, dass die Konvergenzordnung fast unabhängig von der Froude-Zahl ist.

Analysis and partial solutions of security problems in automotive environments

Questo scritto mira a fare una panoramica dei problemi legati alla sicurezza della comunicazione tra componenti interne dei veicoli e delle soluzioni oggigiorno disponibili. Partendo con una descrizione generale del circuito interno dell’auto analizzeremo i suoi punti di accesso e discuteremo i danni prodotti dalla sua manomissione illecita. In seguito vedremo se ´è possibile prevenire tali attacchi dando un’occhiata alle soluzioni disponibili e soffermandoci in particolare sui moduli crittografici e le loro applicazioni. Infine presenteremo l’implementazione pratica di un protocollo di autenticazione tra ECUs e una dimostrazione matematica della sua sicurezza.

Applications of elliptic functions to solve differential equations

In questa tesi si mostrano alcune applicazioni degli integrali ellittici nella meccanica Hamiltoniana, allo scopo di risolvere i sistemi integrabili. Vengono descritte le funzioni ellittiche, in particolare la funzione ellittica di Weierstrass, ed elenchiamo i tipi di integrali ellittici costruendoli dalle funzioni di Weierstrass. Dopo aver considerato le basi della meccanica Hamiltoniana ed il teorema di Arnold Liouville, studiamo un esempio preso dal libro di Moser-Integrable Hamiltonian Systems and Spectral Theory, dove si prendono in considerazione i sistemi integrabili lungo la geodetica di un'ellissoide, e il sistema di Von Neumann. In particolare vediamo che nel caso n=2 abbiamo un integrale ellittico.

Dichotomous Hamiltonians with unbounded entries and solutions of Riccati equations

An operator Riccati equation from systems theory is considered in the case that all entries of the associated Hamiltonian are unbounded. Using a certain dichotomy property of the Hamiltonian and its symmetry with respect to two different indefinite inner products, we prove the existence of nonnegative and nonpositive solutions of the Riccati equation. Moreover, conditions for the boundedness and uniqueness of these solutions are established.

Computational Comparison of Continuous and Discontinuous Galerkin Time-Stepping Methods for Nonlinear Initial Value Problems

This article centers on the computational performance of the continuous and discontinuous Galerkin time stepping schemes for general first-order initial value problems in R n , with continuous nonlinearities. We briefly review a recent existence result for discrete solutions from [6], and provide a numerical comparison of the two time discretization methods.

Differential invariants of second-order ordinary differential equations

The notion of a differential invariant for systems of second-order differential equations on a manifold M with respect to the group of vertical automorphisms of the projection is de?ned and the Chern connection attached to a SODE allows one to determine a basis for second-order differential invariants of a SODE.

On the geometry of solutions of the quasi-geostrophic and Euler equations

We study solutions of the two-dimensional quasi-geostrophic thermal active scalar equation involving simple hyperbolic saddles. There is a naturally associated notion of simple hyperbolic saddle breakdown. It is proved that such breakdown cannot occur in finite time. At large time, these solutions may grow at most at a quadruple-exponential rate. Analogous results hold for the incompressible three-dimensional Euler equation.

Numerical solution of stiff ordinary differential equations using collocation methods /

Bibliography: p. 79-80.

Multi-derivative numerical methods for the solution of stiff ordinary differential equations /

"Under contracts US AEC AT(11-1)2383 and US AEC AT(11-1)1469."

1979 SIGNUM Meeting on Numerical Ordinary Differential Equations, April 3-5, 1979, University Inn, Champaign, Illinois : jointly sponsored by Association for Computing Machinery, Special Interest Group on Numerical Mathematics; Department of Computer Science, University of Illinois at Urbana-Champaign; National Science Foundation /

Includes bibliographical references.

An efficient numerical method for highly oscillatory ordinary differential equations /

"Supported in part by the Department of Energy under contract ENERGY/EY-76-S-02-2383, and submitted in partial fulfillment of the requirements of the Graduate College for the degree of doctor of philosophy."

Study of stability for non-linear ordinary differential equations.

"C00-1469-0118."

A user's view of solving stiff ordinary differential equations /

"COO-2383-0036."

Automatic detection and treatment of oscillatory and/or stiff ordinary differential equations /

"Presented at the Differential Equation Workshop, Center for Interdisciplinary Research (Zif), University of Bielefeld, West Germany, April 21, 1980."