Accurate and efficient simulation of multiphase flow in a heterogeneous reservoir by using error estimate and control in the multiscale finite-volume framework

The multiscale finite-volume (MSFV) method is designed to reduce the computational cost of elliptic and parabolic problems with highly heterogeneous anisotropic coefficients. The reduction is achieved by splitting the original global problem into a set of local problems (with approximate local boundary conditions) coupled by a coarse global problem. It has been shown recently that the numerical errors in MSFV results can be reduced systematically with an iterative procedure that provides a conservative velocity field after any iteration step. The iterative MSFV (i-MSFV) method can be obtained with an improved (smoothed) multiscale solution to enhance the localization conditions, with a Krylov subspace method [e.g., the generalized-minimal-residual (GMRES) algorithm] preconditioned by the MSFV system, or with a combination of both. In a multiphase-flow system, a balance between accuracy and computational efficiency should be achieved by finding a minimum number of i-MSFV iterations (on pressure), which is necessary to achieve the desired accuracy in the saturation solution. In this work, we extend the i-MSFV method to sequential implicit simulation of time-dependent problems. To control the error of the coupled saturation/pressure system, we analyze the transport error caused by an approximate velocity field. We then propose an error-control strategy on the basis of the residual of the pressure equation. At the beginning of simulation, the pressure solution is iterated until a specified accuracy is achieved. To minimize the number of iterations in a multiphase-flow problem, the solution at the previous timestep is used to improve the localization assumption at the current timestep. Additional iterations are used only when the residual becomes larger than a specified threshold value. Numerical results show that only a few iterations on average are necessary to improve the MSFV results significantly, even for very challenging problems. Therefore, the proposed adaptive strategy yields efficient and accurate simulation of multiphase flow in heterogeneous porous media.

Prosessihyötysuhteen parantamiskohteiden kartoitus painevesireaktorityyppisessä ydinvoimalaitoksessa

Työn tavoitteena on kartoittaa painevesireaktorityyppisen ydinvoimalaitoksen prosessihyötysuhteen parantamiskohteita. Aluksi kirjallisuudesta etsitään hyötysuhteen parantamiskeinoja ideaalisessa höyryvoimalaitosprosessissa. Näistä valitaan sopivimmat tarkastelun kohteeksi todellisessa voimalaitoksessa: syöttöveden esilämmityksen tehostaminen väliottohöyryvirtausta kasvattamalla ja syöttöveden esilämmittimen lämmönsiirtopintaa lisäämällä. Tarkastelussa pyritään löytämään paras mahdollinen hyötysuhde väliottohöyrylinjojen putkikokoa sekä esilämmittimien putkien lukumäärää muuttamalla. Diskreetin optimoinnin iteraatioaskel määritetään hyötysuhteen osittaisderivaattojen avulla. Tehtäviä muutoksia simuloidaan APROS-simulointiohjelmalla, jossa käytetään Loviisan voimalaitoksesta tehtyä mallia VVER-440. Työssä havaittiin, että pelkkiä väliottohöyrylinjojen putkikokoja – ja massavirtaa – kasvattamalla Loviisan voimalaitoksen hyötysuhdetta voidaan parantaa parhaimmillaan 32,75%:sta 32,85%:iin. Syöttöveden esilämmittimien lämmönsiirtopintaa lisäämällä saadaan suurempi parannus hyötysuhteeseen: 32,75%:sta 32,99%:iin. Näissä tapauksissa muutettiin kaikkia väliottohöyrylinjoja tai syöttöveden esilämmittimien lämpöpintoja. Työssä tarkasteltiin myös joitakin pienempiä muutoskohteita, joista paras hyötysuhteen kasvu saatiin korkeapaine-esilämmittimien lämmönsiirtopintaa kasvattamalla sekä toisen väliottohöyrylinjan (RD12) ja sitä vastaavan syöttöveden esilämmittimen muutosten yhteisvaikutuksena.

Überwachung der Vorspannkraft Externer Spannglieder mit Hilfe der Modalanalyse

Aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Bauwerkssicherheit ist in Deutschland seit 1998 die externe Vorspannung in Hohlkastenbrücken zur Regelbauweise geworden. Durch Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung verspricht man sich im Brückenbau weitere Verbesserungen der Robustheit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer. Trotz des besseren Korrosionsschutzes im Vergleich zur internen Vorspannung mit Verbund sind Schäden nicht völlig auszuschließen. Um die Vorteile der externen Vorspannung zu nutzen, ist daher eine periodische Überwachung der Spanngliedkräfte, z. B. während der Hauptprüfung des Bauwerks, durchzuführen. Für die Überwachung der Spanngliedkräfte bei Schrägseilbrücken haben sich die Schwingungsmessmethoden als wirtschaftlich und leistungsfähig erwiesen. Für die Übertragung der Methode auf den Fall der externen Vorspannung, wo kürzere Schwingungslängen vorliegen, waren zusätzliche Untersuchungen hinsichtlich der effektiven Schwingungslänge, der Randbedingungen sowie der effektiven Biegesteifigkeit erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Modellkorrekturverfahren, basierend auf der iterativen Anpassung eines F.E.-Modells an die identifizierten Eigenfrequenzen und Eigenformen des Spanngliedes, für die Bestimmung der Spanngliedkräfte verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berücksichtigung der Parameter (Schwingungslänge, Randbedingungen und effektive Biegesteifigkeit) bei der Identifikation der effektiven Spanngliedkräfte. Weiterhin ist eine Modellierung jeder beliebigen Spanngliedausbildung, z. B. bei unterschiedlichen Querschnitten in den Verankerungs- bzw. Umlenkbereichen, gewährleistet. Zur Anwendung bei der Ermittlung der Spanngliedkräfte wurde eine spezielle Methode, basierend auf den besonderen dynamischen Eigenschaften der Spannglieder, entwickelt, bei der die zuvor genannten Parameter innerhalb jedes Iterationsschrittes unabhängig korrigiert werden, was zur Robustheit des Identifikationsverfahrens beiträgt. Das entwickelte Verfahren ist in einem benutzerfreundlichen Programmsystem implementiert worden. Die erzielten Ergebnisse wurden mit dem allgemeinen Identifikationsprogramm UPDATE_g2 verglichen; dabei ist eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt worden. Beim selbst entwickelten Verfahren wird die benötigte Rechenzeit auf ca. 30 % reduziert [100 sec à 30 sec]. Es bietet sich daher für die unmittelbare Auswertung vor Ort an. Die Parameteridentifikationsverfahren wurden an den Spanngliedern von insgesamt sechs Brücken (vier unterschiedliche Spannverfahren) angewendet. Die Anzahl der getesteten Spannglieder beträgt insgesamt 340. Die Abweichung zwischen den durch Schwingungs-messungen identifizierten und gemessenen (bei einer Brücke durch eine Abhebekontrolle) bzw. aufgebrachten Spanngliedkräften war kleiner als 3 %. Ferner wurden die Auswirkungen äußerer Einflüsse infolge Temperaturschwankungen und Verkehr bei den durchgeführten Messungen untersucht. Bei der praktischen Anwendung sind Besonderheiten aufgetreten, die durch die Verwendung des Modellkorrekturverfahrens weitgehend erfasst werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung dieses Verfahrens die Genauigkeit im Vergleich mit den bisherigen Schwingungsmessmethoden beachtlich erhöht. Ferner wird eine Erweiterung des Anwendungsbereiches auch auf Spezialfälle (z. B. bei einem unplanmäßigen Anliegen) gewährleistet.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.

Finding the smallest eigenvalue by the inverse Monte Carlo method with refinement

Finding the smallest eigenvalue of a given square matrix A of order n is computationally very intensive problem. The most popular method for this problem is the Inverse Power Method which uses LU-decomposition and forward and backward solving of the factored system at every iteration step. An alternative to this method is the Resolvent Monte Carlo method which uses representation of the resolvent matrix [I -qA](-m) as a series and then performs Monte Carlo iterations (random walks) on the elements of the matrix. This leads to great savings in computations, but the method has many restrictions and a very slow convergence. In this paper we propose a method that includes fast Monte Carlo procedure for finding the inverse matrix, refinement procedure to improve approximation of the inverse if necessary, and Monte Carlo power iterations to compute the smallest eigenvalue. We provide not only theoretical estimations about accuracy and convergence but also results from numerical tests performed on a number of test matrices.

Femtosecond pulse shaping using differential evolutionary algorithm and wavelet operators

Evolutionary meta-algorithms for pulse shaping of broadband femtosecond duration laser pulses are proposed. The genetic algorithm searching the evolutionary landscape for desired pulse shapes consists of a population of waveforms (genes), each made from two concatenated vectors, specifying phases and magnitudes, respectively, over a range of frequencies. Frequency domain operators such as mutation, two-point crossover average crossover, polynomial phase mutation, creep and three-point smoothing as well as a time-domain crossover are combined to produce fitter offsprings at each iteration step. The algorithm applies roulette wheel selection; elitists and linear fitness scaling to the gene population. A differential evolution (DE) operator that provides a source of directed mutation and new wavelet operators are proposed. Using properly tuned parameters for DE, the meta-algorithm is used to solve a waveform matching problem. Tuning allows either a greedy directed search near the best known solution or a robust search across the entire parameter space.

Non-uniform data distribution for communication-efficient parallel clustering

Global communicationrequirements andloadimbalanceof someparalleldataminingalgorithms arethe major obstacles to exploitthe computational power of large-scale systems. This work investigates how non-uniform data distributions can be exploited to remove the global communication requirement and to reduce the communication costin parallel data mining algorithms and, in particular, in the k-means algorithm for cluster analysis. In the straightforward parallel formulation of the k-means algorithm, data and computation loads are uniformly distributed over the processing nodes. This approach has excellent load balancing characteristics that may suggest it could scale up to large and extreme-scale parallel computing systems. However, at each iteration step the algorithm requires a global reduction operationwhichhinders thescalabilityoftheapproach.Thisworkstudiesadifferentparallelformulation of the algorithm where the requirement of global communication is removed, while maintaining the same deterministic nature ofthe centralised algorithm. The proposed approach exploits a non-uniform data distribution which can be either found in real-world distributed applications or can be induced by means ofmulti-dimensional binary searchtrees. The approachcanalso be extended to accommodate an approximation error which allows a further reduction ofthe communication costs. The effectiveness of the exact and approximate methods has been tested in a parallel computing system with 64 processors and in simulations with 1024 processing element

Efficient group communication for large-scale parallel clustering

Global communication requirements and load imbalance of some parallel data mining algorithms are the major obstacles to exploit the computational power of large-scale systems. This work investigates how non-uniform data distributions can be exploited to remove the global communication requirement and to reduce the communication cost in iterative parallel data mining algorithms. In particular, the analysis focuses on one of the most influential and popular data mining methods, the k-means algorithm for cluster analysis. The straightforward parallel formulation of the k-means algorithm requires a global reduction operation at each iteration step, which hinders its scalability. This work studies a different parallel formulation of the algorithm where the requirement of global communication can be relaxed while still providing the exact solution of the centralised k-means algorithm. The proposed approach exploits a non-uniform data distribution which can be either found in real world distributed applications or can be induced by means of multi-dimensional binary search trees. The approach can also be extended to accommodate an approximation error which allows a further reduction of the communication costs.

On the determination of epsilon during discriminative GMM training

Discriminative training of Gaussian Mixture Models (GMMs) for speech or speaker recognition purposes is usually based on the gradient descent method, in which the iteration step-size, ε, uses to be defined experimentally. In this letter, we derive an equation to adaptively determine ε, by showing that the second-order Newton-Raphson iterative method to find roots of equations is equivalent to the gradient descent algorithm. © 2010 IEEE.

An alternating boundary integral based method for a Cauchy problem for the Laplace equation in a quadrant

We study the Cauchy problem for the Laplace equation in a quadrant (quarter-plane) containing a bounded inclusion. Given the values of the solution and its derivative on the edges of the quadrant the solution is reconstructed on the boundary of the inclusion. This is achieved using an alternating iterative method where at each iteration step mixed boundary value problems are being solved. A numerical method is also proposed and investigated for the direct mixed problems reducing these to integral equations over the inclusion. Numerical examples verify the efficiency of the proposed scheme.

On the numerical solution of a Cauchy problem in an elastostatic half-plane with a bounded inclusion

We propose an iterative procedure for the inverse problem of determining the displacement vector on the boundary of a bounded planar inclusion given the displacement and stress fields on an infinite (planar) line-segment. At each iteration step mixed boundary value problems in an elastostatic half-plane containing the bounded inclusion are solved. For efficient numerical implementation of the procedure these mixed problems are reduced to integral equations over the bounded inclusion. Well-posedness and numerical solution of these boundary integral equations are presented, and a proof of convergence of the procedure for the inverse problem to the original solution is given. Numerical investigations are presented both for the direct and inverse problems, and these results show in particular that the displacement vector on the boundary of the inclusion can be found in an accurate and stable way with small computational cost.

A procedure for determining a spacewise dependent heat source and the initial temperature

The inverse problem of determining a spacewise dependent heat source, together with the initial temperature for the parabolic heat equation, using the usual conditions of the direct problem and information from two supplementary temperature measurements at different instants of time is studied. These spacewise dependent temperature measurements ensure that this inverse problem has a unique solution, despite the solution being unstable, hence the problem is ill-posed. We propose an iterative algorithm for the stable reconstruction of both the initial data and the source based on a sequence of well-posed direct problems for the parabolic heat equation, which are solved at each iteration step using the boundary element method. The instability is overcome by stopping the iterations at the first iteration for which the discrepancy principle is satisfied. Numerical results are presented for a typical benchmark test example, which has the input measured data perturbed by increasing amounts of random noise. The numerical results show that the proposed procedure gives accurate numerical approximations in relatively few iterations.

An alternating boundary integral based method for a Cauchy problem for the Laplace equation in semi-infinite regions

We consider a Cauchy problem for the Laplace equation in a two-dimensional semi-infinite region with a bounded inclusion, i.e. the region is the intersection between a half-plane and the exterior of a bounded closed curve contained in the half-plane. The Cauchy data are given on the unbounded part of the boundary of the region and the aim is to construct the solution on the boundary of the inclusion. In 1989, Kozlov and Maz'ya [10] proposed an alternating iterative method for solving Cauchy problems for general strongly elliptic and formally self-adjoint systems in bounded domains. We extend their approach to our setting and in each iteration step mixed boundary value problems for the Laplace equation in the semi-infinite region are solved. Well-posedness of these mixed problems are investigated and convergence of the alternating procedure is examined. For the numerical implementation an efficient boundary integral equation method is proposed, based on the indirect variant of the boundary integral equation approach. The mixed problems are reduced to integral equations over the (bounded) boundary of the inclusion. Numerical examples are included showing the feasibility of the proposed method.

An iterative method based on boundary integrals for elliptic Cauchy problems in semi-infinite domains

In this study, we investigate the problem of reconstruction of a stationary temperature field from given temperature and heat flux on a part of the boundary of a semi-infinite region containing an inclusion. This situation can be modelled as a Cauchy problem for the Laplace operator and it is an ill-posed problem in the sense of Hadamard. We propose and investigate a Landweber-Fridman type iterative method, which preserve the (stationary) heat operator, for the stable reconstruction of the temperature field on the boundary of the inclusion. In each iteration step, mixed boundary value problems for the Laplace operator are solved in the semi-infinite region. Well-posedness of these problems is investigated and convergence of the procedures is discussed. For the numerical implementation of these mixed problems an efficient boundary integral method is proposed which is based on the indirect variant of the boundary integral approach. Using this approach the mixed problems are reduced to integral equations over the (bounded) boundary of the inclusion. Numerical examples are included showing that stable and accurate reconstructions of the temperature field on the boundary of the inclusion can be obtained also in the case of noisy data. These results are compared with those obtained with the alternating iterative method.

Recovering boundary data in planar heat conduction using boundary integral equation method

We consider a Cauchy problem for the heat equation, where the temperature field is to be reconstructed from the temperature and heat flux given on a part of the boundary of the solution domain. We employ a Landweber type method proposed in [2], where a sequence of mixed well-posed problems are solved at each iteration step to obtain a stable approximation to the original Cauchy problem. We develop an efficient boundary integral equation method for the numerical solution of these mixed problems, based on the method of Rothe. Numerical examples are presented both with exact and noisy data, showing the efficiency and stability of the proposed procedure and approximations.