Adaptive high-resolution finite element schemes
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Date
2008-12-09T12:38:50Z
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Abstract
The numerical treatment of flow problems by the finite element method
is addressed. An algebraic approach to constructing high-resolution
schemes for scalar conservation laws as well as for the compressible
Euler equations is pursued. Starting from the standard Galerkin
approximation, a diffusive low-order discretization is constructed by
performing conservative matrix manipulations. Flux limiting is
employed to compute the admissible amount of compensating
antidiffusion which is applied in regions, where the solution is
sufficiently smooth, to recover the accuracy of the Galerkin finite
element scheme to the largest extent without generating non-physical
oscillations in the vicinity of steep gradients. A discrete Newton
algorithm is proposed for the solution of nonlinear systems of
equations and it is compared to the standard fixed-point defect
correction approach. The Jacobian operator is approximated by divided
differences and an edge-based procedure for matrix assembly is devised
exploiting the special structure of the underlying algebraic flux
correction (AFC) scheme. Furthermore, a hierarchical mesh adaptation
algorithm is designed for the simulation of steady-state and transient
flow problems alike. Recovery-based error indicators are used to
control local mesh refinement based on the red-green strategy for
element subdivision. A vertex locking algorithm is developed which
leads to an economical re-coarsening of patches of subdivided
cells. Efficient data structures and implementation details are
discussed. Numerical examples for scalar conservation laws and the
compressible Euler equations in two dimensions are presented to assess
the performance of the solution procedure.
In dieser Arbeit wird die numerische Simulation von skalaren Erhaltungsgleichungen sowie von kompressiblen Eulergleichungen mit Hilfe der Finite-Elemente Methode behandelt. Dazu werden hochauflösende Diskretisierungsverfahren eingesetzt, welche auf algebraischen Konstruktionsprinzipien basieren. Ausgehend von der Galerkin-Approximation wird eine Methode niedriger Ordnung konstruiert, indem konservative Matrixmodifikationen durchgeführt werden. Anschließend kommt ein sog. Flux-Limiter zum Einsatz, der in Abhängigkeit von der lokalen Glattheit der Lösung den zulässigen Anteil an Antidiffusion bestimmt, die zur Lösung der Methode niedriger Ordnung hinzuaddiert werden kann, ohne dass unphysikalische Oszillationen in der Nähe von steilen Gradienten entstehen. Die resultierenden nichtlinearen Gleichungssysteme können entweder mit Hilfe von Fixpunkt-Defektkorrektur-Techniken oder mittels diskreter Newton-Verfahren gelöst werden. Für letztere wird die Jacobi-Matrix mit dividierten Differenzen approximiert, wobei ein effizienter, kantenbasierter Matrixaufbau aufgrund der speziellen Struktur der zugrunde liegenden Diskretisierung möglich ist. Ferner wird ein hierarchischer Gitteradaptionsalgorithmus vorgestellt, welcher sowohl für die Simulation von stationären als auch zeitabhängigen Strömungen geeignet ist. Die lokale Gitterverfeinerung folgt dem bekannten Rot-Grün Prinzip, wobei rekonstruktionsbasierte Fehlerindikatoren zur Markierung von Elementen zum Einsatz kommen. Ferner erlaubt das sukzessive Sperren von Knoten, die nicht gelöscht werden können, eine kostengünstige Rückvergröberung von zuvor unterteilten Elementen. In der Arbeit wird auf verschiedene Aspekte der Implementierung sowie auf die Wahl von effizienten Datenstrukturen zur Verwaltung der Gitterinformationen eingegangen. Der Nutzen der vorgestellten Simulationswerkzeuge wird anhand von zweidimensionalen Beispielrechnungen für skalare Erhaltungsgleichungen sowie für die kompressiblen Eulergleichungen analysiert.
In dieser Arbeit wird die numerische Simulation von skalaren Erhaltungsgleichungen sowie von kompressiblen Eulergleichungen mit Hilfe der Finite-Elemente Methode behandelt. Dazu werden hochauflösende Diskretisierungsverfahren eingesetzt, welche auf algebraischen Konstruktionsprinzipien basieren. Ausgehend von der Galerkin-Approximation wird eine Methode niedriger Ordnung konstruiert, indem konservative Matrixmodifikationen durchgeführt werden. Anschließend kommt ein sog. Flux-Limiter zum Einsatz, der in Abhängigkeit von der lokalen Glattheit der Lösung den zulässigen Anteil an Antidiffusion bestimmt, die zur Lösung der Methode niedriger Ordnung hinzuaddiert werden kann, ohne dass unphysikalische Oszillationen in der Nähe von steilen Gradienten entstehen. Die resultierenden nichtlinearen Gleichungssysteme können entweder mit Hilfe von Fixpunkt-Defektkorrektur-Techniken oder mittels diskreter Newton-Verfahren gelöst werden. Für letztere wird die Jacobi-Matrix mit dividierten Differenzen approximiert, wobei ein effizienter, kantenbasierter Matrixaufbau aufgrund der speziellen Struktur der zugrunde liegenden Diskretisierung möglich ist. Ferner wird ein hierarchischer Gitteradaptionsalgorithmus vorgestellt, welcher sowohl für die Simulation von stationären als auch zeitabhängigen Strömungen geeignet ist. Die lokale Gitterverfeinerung folgt dem bekannten Rot-Grün Prinzip, wobei rekonstruktionsbasierte Fehlerindikatoren zur Markierung von Elementen zum Einsatz kommen. Ferner erlaubt das sukzessive Sperren von Knoten, die nicht gelöscht werden können, eine kostengünstige Rückvergröberung von zuvor unterteilten Elementen. In der Arbeit wird auf verschiedene Aspekte der Implementierung sowie auf die Wahl von effizienten Datenstrukturen zur Verwaltung der Gitterinformationen eingegangen. Der Nutzen der vorgestellten Simulationswerkzeuge wird anhand von zweidimensionalen Beispielrechnungen für skalare Erhaltungsgleichungen sowie für die kompressiblen Eulergleichungen analysiert.
Description
Table of contents
Keywords
high-resolution schemes, finite element methods, algebraic flux correction, compressible Euler equations, boundary conditions, transport phenomena, transient flow problems, steady-state flow problems, Newton's method, dynamic mesh adaptation, mesh refinement algorithm, efficient data structures, numerical simulations, hochauflösende Diskretisierungen, algebraische Flusskorrektur-Techniken, Finite-Elemente Methoden, kompressible Eulergleichungen, Randbedingungen, Transportprobleme, Zeitabhängige Strömungen, Stationäre Strömungen, Newton-Verfahren, Dynamische Gitteradaptivität, Gitterverfeinerungsalgorithmus, Effiziente Datenstrukturen, Numerische Simulationen, Gittervergröberungsalgorithmus, mesh coarsening algorithm