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.

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.

Equations for the Drag Force and Aerodynamic Roughness Length of Urban Areas with Random Building Heights

We use a conceptual model to investigate how randomly varying building heights within a city affect the atmospheric drag forces and the aerodynamic roughness length of the city. The model is based on the assumptions regarding wake spreading and mutual sheltering effects proposed by Raupach (Boundary-Layer Meteorol 60:375-395, 1992). It is applied both to canopies having uniform building heights and to those having the same building density and mean height, but with variability about the mean. For each simulated urban area, a correction is determined, due to height variability, to the shear stress predicted for the uniform building height case. It is found that u (*)/u (*R) , where u (*) is the friction velocity and u (*R) is the friction velocity from the uniform building height case, is expressed well as an algebraic function of lambda and sigma (h) /h (m) , where lambda is the frontal area index, sigma (h) is the standard deviation of the building height, and h (m) is the mean building height. The simulations also resulted in a simple algebraic relation for z (0)/z (0R) as a function of lambda and sigma (h) /h (m) , where z (0) is the aerodynamic roughness length and z (0R) is z (0) found from the original Raupach formulation for a uniform canopy. Model results are in keeping with those of several previous studies.

Estimation of the flammability zone boundaries with thermodynamic and empirical equations

The flammability zone boundaries are very important properties to prevent explosions in the process industries. Within the boundaries, a flame or explosion can occur so it is important to understand these boundaries to prevent fires and explosions. Very little work has been reported in the literature to model the flammability zone boundaries. Two boundaries are defined and studied: the upper flammability zone boundary and the lower flammability zone boundary. Three methods are presented to predict the upper and lower flammability zone boundaries: The linear model The extended linear model, and An empirical model The linear model is a thermodynamic model that uses the upper flammability limit (UFL) and lower flammability limit (LFL) to calculate two adiabatic flame temperatures. When the proper assumptions are applied, the linear model can be reduced to the well-known equation yLOC = zyLFL for estimation of the limiting oxygen concentration. The extended linear model attempts to account for the changes in the reactions along the UFL boundary. Finally, the empirical method fits the boundaries with linear equations between the UFL or LFL and the intercept with the oxygen axis. xx Comparison of the models to experimental data of the flammability zone shows that the best model for estimating the flammability zone boundaries is the empirical method. It is shown that is fits the limiting oxygen concentration (LOC), upper oxygen limit (UOL), and the lower oxygen limit (LOL) quite well. The regression coefficient values for the fits to the LOC, UOL, and LOL are 0.672, 0.968, and 0.959, respectively. This is better than the fit of the "zyLFL" method for the LOC in which the regression coefficient’s value is 0.416.

Maximum principle preserving high order schemes for convection-dominated diffusion equations

The maximum principle is an important property of solutions to PDE. Correspondingly, it's of great interest for people to design a high order numerical scheme solving PDE with this property maintained. In this thesis, our particular interest is solving convection-dominated diffusion equation. We first review a nonconventional maximum principle preserving(MPP) high order finite volume(FV) WENO scheme, and then propose a new parametrized MPP high order finite difference(FD) WENO framework, which is generalized from the one solving hyperbolic conservation laws. A formal analysis is presented to show that a third order finite difference scheme with this parametrized MPP flux limiters maintains the third order accuracy without extra CFL constraint when the low order monotone flux is chosen appropriately. Numerical tests in both one and two dimensional cases are performed on the simulation of the incompressible Navier-Stokes equations in vorticity stream-function formulation and several other problems to show the effectiveness of the proposed method.