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.

Interpretation of the pressuremeter test using numerical models based on deformation tensor equations

The pressuremeter test in boreholes has proven itself as a useful tool in geotechnical explorations, especially comparing its results with those obtained from a mathematical model ruled by a soil representative constitutive equation. The numerical model shown in this paper is aimed to be the reference framework for the interpretation of this test. The model analyses variables such as: the type of response, the initial state, the drainage regime and the constitutive equations. It is a model of finite elements able to work with a mesh without deformation or one adapted to it.

On the generative equations of fractal self-similarity in granular media and the related PSD models

The physical appearance of granular media suggests the existence of geometrical scale invariance. The paper discuss how this physico-empirical property can be mathematically encoded leading to different generative models: a smooth one encoded by a differential equation and another encoded by an equation coming from a measure theoretical property.

Advances in global instability computations: from incompressible to hypersonic flow

Esta tesis constituye un gran avance en el conocimiento del estudio y análisis de inestabilidades hidrodinámicas desde un punto de vista físico y teórico, como consecuencia de haber desarrollado innovadoras técnicas para la resolución computacional eficiente y precisa de la parte principal del espectro correspondiente a los problemas de autovalores (EVP) multidimensionales que gobiernan la inestabilidad de flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, denominados problemas de estabilidad global lineal. En el contexto del trabajo de desarrollo de herramientas computacionales presentado en la tesis, la discretización mediante métodos de diferencias finitas estables de alto orden de los EVP bidimensionales y tridimensionales que se derivan de las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas sobre flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, ha permitido una aceleración de cuatro órdenes de magnitud en su resolución. Esta mejora de eficiencia numérica se ha conseguido gracias al hecho de que usando estos esquemas de diferencias finitas, técnicas eficientes de resolución de problemas lineales son utilizables, explotando el alto nivel de dispersión o alto número de elementos nulos en las matrices involucradas en los problemas tratados. Como más notable consecuencia cabe destacar que la resolución de EVPs multidimensionales de inestabilidad global, que hasta la fecha necesitaban de superordenadores, se ha podido realizar en ordenadores de sobremesa. Además de la solución de problemas de estabilidad global lineal, el mencionado desarrollo numérico facilitó la extensión de las ecuaciones de estabilidad parabolizadas (PSE) lineales y no lineales para analizar la inestabilidad de flujos que dependen fuertemente en dos direcciones espaciales y suavemente en la tercera con las ecuaciones de estabilidad parabolizadas tridimensionales (PSE-3D). Precisamente la capacidad de extensión del novedoso algoritmo PSE-3D para el estudio de interacciones no lineales de los modos de estabilidad, desarrollado íntegramente en esta tesis, permite la predicción de transición en flujos complejos de gran interés industrial y por lo tanto extiende el concepto clásico de PSE, el cuál ha sido empleado exitosamente durante las pasadas tres décadas en el mismo contexto para problemas de capa límite bidimensional. Típicos ejemplos de flujos incompresibles se han analizado en este trabajo sin la necesidad de recurrir a restrictivas presuposiciones usadas en el pasado. Se han estudiado problemas vorticales como es el caso de un vórtice aislado o sistemas de vórtices simulando la estela de alas, en los que la homogeneidad axial no se impone y así se puede considerar la difusión viscosa del flujo. Además, se ha estudiado el chorro giratorio turbulento, cuya inestabilidad se utiliza para mejorar las características de funcionamiento de combustores. En la tesis se abarcan adicionalmente problemas de flujos compresibles. Se presenta el estudio de inestabilidad de flujos de borde de ataque a diferentes velocidades de vuelo. También se analiza la estela formada por un elemento rugoso aislado en capa límite supersónica e hipersónica, mostrando excelentes comparaciones con resultados obtenidos mediante simulación numérica directa. Finalmente, nuevas inestabilidades se han identificado en el flujo hipersónico a Mach 7 alrededor de un cono elíptico que modela el vehículo de pruebas en vuelo HIFiRE-5. Los resultados comparan favorablemente con experimentos en vuelo, lo que subraya aún más el potencial de las metodologías de análisis de estabilidad desarrolladas en esta tesis. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the frontiers of knowledge of fluid flow instability from a physical point of view, as a consequence of having been successful in developing groundbreaking methodologies for the efficient and accurate computation of the leading part of the spectrum pertinent to multi-dimensional eigenvalue problems (EVP) governing instability of flows with two or three inhomogeneous spatial directions. In the context of the numerical work presented in this thesis, the discretization of the spatial operator resulting from linearization of the Navier-Stokes equations around flows with two or three inhomogeneous spatial directions by variable-high-order stable finite-difference methods has permitted a speedup of four orders of magnitude in the solution of the corresponding two- and three-dimensional EVPs. This improvement of numerical performance has been achieved thanks to the high-sparsity level offered by the high-order finite-difference schemes employed for the discretization of the operators. This permitted use of efficient sparse linear algebra techniques without sacrificing accuracy and, consequently, solutions being obtained on typical workstations, as opposed to the previously employed supercomputers. Besides solution of the two- and three-dimensional EVPs of global linear instability, this development paved the way for the extension of the (linear and nonlinear) Parabolized Stability Equations (PSE) to analyze instability of flows which depend in a strongly-coupled inhomogeneous manner on two spatial directions and weakly on the third. Precisely the extensibility of the novel PSE-3D algorithm developed in the framework of the present thesis to study nonlinear flow instability permits transition prediction in flows of industrial interest, thus extending the classic PSE concept which has been successfully employed in the same context to boundary-layer type of flows over the last three decades. Typical examples of incompressible flows, the instability of which was analyzed in the present thesis without the need to resort to the restrictive assumptions used in the past, range from isolated vortices, and systems thereof, in which axial homogeneity is relaxed to consider viscous diffusion, as well as turbulent swirling jets, the instability of which is exploited in order to improve flame-holding properties of combustors. The instability of compressible subsonic and supersonic leading edge flows has been solved, and the wake of an isolated roughness element in a supersonic and hypersonic boundary-layer has also been analyzed with respect to its instability: excellent agreement with direct numerical simulation results has been obtained in all cases. Finally, instability analysis of Mach number 7 ow around an elliptic cone modeling the HIFiRE-5 flight test vehicle has unraveled flow instabilities near the minor-axis centerline, results comparing favorably with flight test predictions.

Un método de diferencias finitas generalizadas para simular la actividad eléctrica de un tejido cardiaco

Una evolución del método de diferencias finitas ha sido el desarrollo del método de diferencias finitas generalizadas (MDFG) que se puede aplicar a mallas irregulares o nubes de puntos. En este método se emplea una expansión en serie de Taylor junto con una aproximación por mínimos cuadrados móviles (MCM). De ese modo, las fórmulas explícitas de diferencias para nubes irregulares de puntos se pueden obtener fácilmente usando el método de Cholesky. El MDFG-MCM es un método sin malla que emplea únicamente puntos. Una contribución de esta Tesis es la aplicación del MDFG-MCM al caso de la modelización de problemas anisótropos elípticos de conductividad eléctrica incluyendo el caso de tejidos reales cuando la dirección de las fibras no es fija, sino que varía a lo largo del tejido. En esta Tesis también se muestra la extensión del método de diferencias finitas generalizadas a la solución explícita de ecuaciones parabólicas anisótropas. El método explícito incluye la formulación de un límite de estabilidad para el caso de nubes irregulares de nodos que es fácilmente calculable. Además se presenta una nueva solución analítica para una ecuación parabólica anisótropa y el MDFG-MCM explícito se aplica al caso de problemas parabólicos anisótropos de conductividad eléctrica. La evidente dificultad de realizar mediciones directas en electrocardiología ha motivado un gran interés en la simulación numérica de modelos cardiacos. La contribución más importante de esta Tesis es la aplicación de un esquema explícito con el MDFG-MCM al caso de la modelización monodominio de problemas de conductividad eléctrica. En esta Tesis presentamos un algoritmo altamente eficiente, exacto y condicionalmente estable para resolver el modelo monodominio, que describe la actividad eléctrica del corazón. El modelo consiste en una ecuación en derivadas parciales parabólica anisótropa (EDP) que está acoplada con un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs) que describen las reacciones electroquímicas en las células cardiacas. El sistema resultante es difícil de resolver numéricamente debido a su complejidad. Proponemos un método basado en una separación de operadores y un método sin malla para resolver la EDP junto a un método de Runge-Kutta para resolver el sistema de EDOs de la membrana y las corrientes iónicas. ABSTRACT An evolution of the method of finite differences has been the development of generalized finite difference (GFD) method that can be applied to irregular grids or clouds of points. In this method a Taylor series expansion is used together with a moving least squares (MLS) approximation. Then, the explicit difference formulae for irregular clouds of points can be easily obtained using a simple Cholesky method. The MLS-GFD is a mesh-free method using only points. A contribution of this Thesis is the application of the MLS-GFDM to the case of modelling elliptic anisotropic electrical conductivity problems including the case of real tissues when the fiber direction is not fixed, but varies throughout the tissue. In this Thesis the extension of the generalized finite difference method to the explicit solution of parabolic anisotropic equations is also given. The explicit method includes a stability limit formulated for the case of irregular clouds of nodes that can be easily calculated. Also a new analytical solution for homogeneous parabolic anisotropic equation has been presented and an explicit MLS- GFDM has been applied to the case of parabolic anisotropic electrical conductivity problems. The obvious difficulty of performing direct measurements in electrocardiology has motivated wide interest in the numerical simulation of cardiac models. The main contribution of this Thesis is the application of an explicit scheme based in the MLS-GFDM to the case of modelling monodomain electrical conductivity problems using operator splitting including the case of anisotropic real tissues. In this Thesis we present a highly efficient, accurate and conditionally stable algorithm to solve a monodomain model, which describes the electrical activity in the heart. The model consists of a parabolic anisotropic partial differential equation (PDE), which is coupled to systems of ordinary differential equations (ODEs) describing electrochemical reactions in the cardiac cells. The resulting system is challenging to solve numerically, because of its complexity. We propose a method based on operator splitting and a meshless method for solving the PDE together with a Runge-Kutta method for solving the system of ODE’s for the membrane and ionic currents.

On the free-boundary for an elliptic inverse nonlocal problem arising in the nuclear fusion. A numerical approach

We consider a mathematical model related to the stationary regime of a plasma magnetically confined in a Stellarator device in the nuclear fusion. The mathematical problem may be reduced to an nonlinear elliptic inverse nonlocal two dimensional free{boundary problem. The nonlinear terms involving the unknown functions of the problem and its rearrangement. Our main goal is to determinate the existence and the estimate on the location and size of region where the solution is nonnegative almost everywhere (corresponding to the plasma region in the physical model)

Spatial linear global instability analysis of the HIFiRE-5 elliptic cone model flow

The linear instability of the three-dimensional boundary-layer over the HIFiRE-5 flight test geometry, i.e. a rounded-tip 2:1 elliptic cone, at Mach 7, has been analyzed through spatial BiGlobal analysis, in a effort to understand transition and accurately predict local heat loads on next-generation ight vehicles. The results at an intermediate axial section of the cone, Re x = 8x10 5, show three different families of spatially amplied linear global modes, the attachment-line and cross- ow modes known from earlier analyses, and a new global mode, peaking in the vicinity of the minor axis of the cone, termed \center-line mode". We discover that a sequence of symmetric and anti-symmetric centerline modes exist and, for the basic ow at hand, are maximally amplied around F* = 130kHz. The wavenumbers and spatial distribution of amplitude functions of the centerline modes are documented

Chaos in non lineal Alfven waves using the DNLS equations

The electro-dynamical tethers emit waves in structured denominated Alfven wings. The Derivative Nonlineal Schrödinger Equation (DNLS) possesses the capacity to describe the propagation of circularly polarized Alfven waves of finite amplitude in cold plasmas. The DNLS equation is truncated to explore the coherent, weakly nonlinear, cubic coupling of three waves near resonance, one wave being linearly unstable and the other waves damped. In this article is presented a theoretical and numerical analysis when the growth rate of the unstable wave is next to zero considering two damping models: Landau and resistive. The DNLS equation presents a chaotic dynamics when is consider only three wave truncation. The evolution to chaos possesses three routes: hard transition, period-doubling and intermittence of type I.

Competitive exclusion in a two-especies chemotasis model

We consider a mathematical model for the spatio-temporal evolution of two biological species in a competitive situation. Besides diffusing, both species move toward higher concentrations of a chemical substance which is produced by themselves. The resulting system consists of two parabolic equations with Lotka–Volterra-type kinetic terms and chemotactic cross-diffusion, along with an elliptic equation describing the behavior of the chemical. We study the question in how far the phenomenon of competitive exclusion occurs in such a context. We identify parameter regimes for which indeed one of the species dies out asymptotically, whereas the other reaches its carrying capacity in the large time limit.

On a parabolic-elliptic chemotactic system with non-constant chemotactic sensitivity

We study a parabolic–elliptic chemotactic system describing the evolution of a population’s density “u” and a chemoattractant’s concentration “v”. The system considers a non-constant chemotactic sensitivity given by “χ(N−u)”, for N≥0, and a source term of logistic type “λu(1−u)”. The existence of global bounded classical solutions is proved for any χ>0, N≥0 and λ≥0. By using a comparison argument we analyze the stability of the constant steady state u=1, v=1, for a range of parameters. – For N>1 and Nλ>2χ, any positive and bounded solution converges to the steady state. – For N≤1 the steady state is locally asymptotically stable and for χN<λ, the steady state is globally asymptotically stable.

A dynamic programming approach to the formulation and solution of finite element equations

A method for formulating and algorithmically solving the equations of finite element problems is presented. The method starts with a parametric partition of the domain in juxtaposed strips that permits sweeping the whole region by a sequential addition (or removal) of adjacent strips. The solution of the difference equations constructed over that grid proceeds along with the addition removal of strips in a manner resembling the transfer matrix approach, except that different rules of composition that lead to numerically stable algorithms are used for the stiffness matrices of the strips. Dynamic programming and invariant imbedding ideas underlie the construction of such rules of composition. Among other features of interest, the present methodology provides to some extent the analyst's control over the type and quantity of data to be computed. In particular, the one-sweep method presented in Section 9, with no apparent counterpart in standard methods, appears to be very efficient insofar as time and storage is concerned. The paper ends with the presentation of a numerical example

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.

The elliptic model for communication fluxes

In this paper, a model (called the elliptic model) is proposed to estimate the number of social ties between two locations using population data in a similar manner to how transportation research deals with trips. To overcome the asymmetry of transportation models, the new model considers that the number of relationships between two locations is inversely proportional to the population in the ellipse whose foci are in these two locations. The elliptic model is evaluated by considering the anonymous communications patterns of 25 million users from three different countries, where a location has been assigned to each user based on their most used phone tower or billing zip code. With this information, spatial social networks are built at three levels of resolution: tower, city and region for each of the three countries. The elliptic model achieves a similar performance when predicting communication fluxes as transportation models do when predicting trips. This shows that human relationships are influenced at least as much by geography as is human mobility.

The elliptic rendezvous problem in DROMO formulation

The extension of DROMO formulation to relative motion is evaluated. The orbit of the follower spacecraft can be constructed through differences on the elements defining the orbit of the leader spacecraft. Assuming that the differences are small, the problemis linearized. Typical linearized solutions to relativemotion determine the relative state of the follower spacecraft at a certain time step. Because of the form of DROMO formulation, the performance of a frozen-anomaly transformation is explored. In this case, the relative state is computed for a certain value of the anomaly, equal for leader and follower. Since the time for leader and follower do not coincide, the implicit time delay needs to be corrected to recover the physical sense of the solution. When determining the relative orbit, numerical testing shows significant error reductions compared to previous linearized solutions.