There is, I think, something ethereal about i —the square root of minus one. I remember first hearing about it at school. It seemed an odd beast at that time—an intruder hovering on the edge of reality.

Usually familiarity dulls this sense of the bizarre, but in the case of i it was the reverse: over the years the sense of its surreal nature intensified. It seemed that it was impossible to write mathematics that described the real world in …

I and i

Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations

Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering

https://orbilu.uni.lu/bitstream/10993/14191/2/iga_final.pdf

Isogeometric analysis: an overview and computer implementation aspects

Gegenstand des Buches ist die Dual Weighted Residual method (DWR), ein sehr effizientes numerisches Verfahren zur Behandlung einer großen Klasse von variationell formulierten Differentialgleichungen. Das numerische Verfahren ist adaptiv, d.h. es konstruiert eigenständig eine Folge von Approximationen für eine gegebene Fragestellung. Typische Fragestellungen sind die Bestimmung gewichteter Mittelwerte der Lösung oder ihrer Ableitungen, die Bestimmung von Randintegralen über Lösungskomponenten (relevant z.B. für die Berechnung von strömungsmechanischen Kenngrößen) oder die Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren (z.B. in der Bruchmechanik). Das Verfahren basiert auf Projektionsmethoden wie z.B. der Finiten Elemente Methode (FEM). Dort wird die Approximationsgüte durch die Wahl der Gitter gesteuert. Der Kern jeder adaptiven FEM ist deshalb die Art, wie die Gitter gewählt werden. Typischerweise geschieht dies in einer adaptiven Schleife, in der in mehreren Durchgängen schrittweise das Gitter verbessert wird, bis eine gewünschte Genauigkeit erreicht ist. Bei der DWR wird in jedem Schleifendurchgang ein lineares Hilfsproblem—das sog. duale Problem, welches von der vorliegenden Fragestellung abhängt—(näherungsweise) gelöst. Weiterhin wird eine Approximation der Differentialgleichung bestimmt. Aus diesen nun vorliegenden Daten wird dann herausdestilliert, wo das Gitter verfeinert werden sollte bzw. vergröbert werden kann, um eine genauere Lösung zu erhalten. Ziel eines adaptiven Algorithmus ist, das gewünschte Ergebnis möglichst effizient zu bestimmen, d.h. mit möglichst geringem Bedarf an Resourcen (Rechenzeit, Speicherbedarf etc.). Mit zahlreichen Beispielen belegt das Buch, daß die DWR dieses Ziel erreicht. Es sei hier besonders hervorgehoben, daß eine Kosten-Nutzen-Betrachtung für die DWR besonders bei nichtlinearen Problemen günstig ausfällt, da die Kosten für die Lösung des linearen Hilfsproblems vergleichbar mit denen eines Newtonschrittes sind und somit nur einen kleinen Teil der Gesamtkosten ausmachen. Das Buch gibt einen sehr guten Überblick über die Technik und die Möglichkeiten der DWR. In einleitenden Kapiteln wird die DWR an gewöhnlichen Differentialgleichungen und dann an einfachen linearen, elliptischen partiellen Differentialgleichungen sehr klar und verständlich vorgeführt. Anschließend wird die DWR in einem abstrakten funktionalanalytischen Rahmen vorgestellt. Der Rest des Buches illustriert auf eindrucksvolle Weise die Leistungsfähigkeit und Breite der Anwendungsfähigkeit des Konzeptes an Hand von Fallbeispielen: Es werden Eigenwertprobleme, Optimierungsaufgaben mit Zwangsbedingungen, die durch eine partielle Differentialgleichung gegeben sind, Strukturmechanikprobleme (lineare Elastizität, Plastizität), Strömungsmechanik (hydrodynamische Stabilitätsanalyse, Berechnung von Strömungskennwerten) behandelt. Auch zeitabhängige Probleme wie die Lösung der Wellengleichung werden mit der DWR erfolgreich bearbeitet. Insgesamt wird klar ersichtlich, daß die DWR eine sehr flexible und vielseitig anwendbare Technik ist. Die ausgewählten numerischen Beispiele, die vor allem aus umfangreichen numerischen Untersuchungen der Gruppe von Rolf Rannacher aus den letzten 10 Jahren ausgewählt wurden, sind sehr illustrativ. Die Erläuterungen zu den Beispielen sind auch deshalb interessant, weil eine Menge zusätzlicher Informationen über die numerische Behandlung des vorliegenden Problems quasi nebenbei einfließen. Das Buch entstand aus einer fortgeschrittenen Spezialvorlesung, die an der ETH Zürich gehalten wurde. Einen Lehrbuchcharakter erhält das Buch dadurch, daß Übungsaufgaben (mit detailierten Lösungen im Anhang) jedes Kapitel abschließen. Die Aufgaben enthal-

Adaptive finite element methods for differential equations.

For linear elastic problems, it is well-known that mesh generation dominates the total analysis time. Different types of methods have been proposed to directly or indirectly alleviate this burden associated with mesh generation. We review in this paper a subset of such methods centred on tighter coupling between computer aided design (CAD) and analysis (finite element or boundary element methods). We focus specifically on frameworks which rely on constructing a discretisation directly from the functions used to describe the geometry of the object in CAD. Examples include B-spline subdivision surfaces, isogeometric analysis, NURBS-enhanced FEM and parametric-based implicit boundary definitions. We review recent advances in these methods and compare them to other paradigms which also aim at alleviating the burden of mesh generation in computational mechanics.

Recent developments in CAD/analysis integration

Discontinuous Galerkin (DG) discretizations with exact representation of the geometry and local polynomial degree adaptivity are revisited. Hybridization techniques are employed to reduce the computational cost of DG approximations and devise the hybridizable discontinuous Galerkin (HDG) method. Exact geometry described by non-uniform rational B-splines (NURBS) is integrated into HDG using the framework of the NURBS-enhanced finite element method (NEFEM). Moreover, optimal convergence and superconvergence properties of HDG-Voigt formulation in presence of symmetric second-order tensors are exploited to construct inexpensive error indicators and drive degree adaptive procedures. Applications involving the numerical simulation of problems in electrostatics, linear elasticity and incompressible viscous flows are presented. Moreover, this is done for both high-order HDG approximations and the lowest-order framework of face-centered finite volumes (FCFV).

/pdf/discontinuous-galerkin-approximations-in-computational-120wb2h6rp.pdf

Discontinuous Galerkin approximations in computational mechanics: hybridization, exact geometry and degree adaptivity

This work presents a numerical study of a W-type index chalcogenide fiber design for Mid-Infrared (MIR) supercontinuum (SC) generation beyond 10μm. Our fiber design consists of a Ge15Sb15Se70 glass core, a Ge20Se80 glass inner cladding and a Ge20Sb5Se75 glass outer cladding. These chalcogenide materials have the advantages to broaden the spectrum to 12μm, due to their low material absorption. The optical mode distribution of the chalcogenide fiber is simulated by a finite element method based on edge elements. With a 6 μm core diameter and a 12 μm inner cladding diameter, the proposed fiber design exhibits flat anomalous dispersion in the wavelength range (4.3-6.5μm), with a peak of about 7ps/(nm.km). The position of the second zero-dispersion wavelength (ZDW) can be easily and precisely controlled by the inner cladding size and should be shifted to around 7μm for a 18 μm inner cladding diameter. This design is more suitable for a pump wavelength at 6.3μm which is in the anomalous dispersion regime between two ZDWs and can broaden the spectrum due to the soliton dynamics. Our fiber design modelling shows that the nonlinear parameter at 6.3μm is 0.1225W−1 m−1, when using a nonlinear refractive index nNL=3.44 ×10−18 m2W−1, and the chromatic dispersion is D = 3.24ps/(nm.km). Compared to previously reported step-index fibers, the proposed W-type index chalcogenide structure ensures single mode propagation, which improves the nonlinearity, flattened dispersion profile and reduces the losses, due to a tight confinement of the mode within the core.

/pdf/numerical-investigation-on-w-type-index-chalcogenide-fiber-6socgxbgjt.pdf

Numerical investigation on W-type index chalcogenide fiber based MIR supercontinuum generation

The Inertia Relief (IR) technique is widely used by industry and produces equilibrated loads allowing to analyze unconstrained systems without resorting to the more expensive full dynamic analysis. The main goal of this work is to develop a computational framework for the solution of unconstrained parametric structural problems with IR and the Proper Generalized Decomposition (PGD) method. First, the IR method is formulated in a parametric setting for both material and geometric parameters. A reduced order model using the encapsulated PGD suite is then developed to solve the parametric IR problem, circumventing the so-called curse of dimensionality. With just one offline computation, the proposed PGD-IR scheme provides a computational vademecum that contains all the possible solutions for a pre-defined range of the parameters. The proposed approach is nonintrusive and it is therefore possible to be integrated with commercial FE packages. The applicability and potential of the developed technique is shown using a three dimensional test case and a more complex industrial test case. The first example is used to highlight the numerical properties of the scheme, whereas the second example demonstrates the potential in a more complex setting and it shows the possibility to integrate the proposed framework within a commercial FE package. In addition, the last example shows the possibility to use the generalized solution in a multi-objective optimization setting.

Nonintrusive reduced order model for parametric solutions of inertia relief problems

This work presents a review of high-order hybridisable discontinuous Galerkin (HDG) methods in the context of compressible flows. Moreover, an original unified framework for the derivation of Riemann solvers in hybridised formulations is proposed. This framework includes, for the first time in an HDG context, the HLL and HLLEM Riemann solvers as well as the traditional Lax-Friedrichs and Roe solvers. HLL-type Riemann solvers demonstrate their superiority with respect to Roe in supersonic cases due to their positivity preserving properties. In addition, HLLEM specifically outstands in the approximation of boundary layers because of its shear preservation, which confers it an increased accuracy with respect to HLL and Lax-Friedrichs. A comprehensive set of relevant numerical benchmarks of viscous and inviscid compressible flows is presented. The test cases are used to evaluate the competitiveness of the resulting high-order HDG scheme with the aforementioned Riemann solvers and equipped with a shock treatment technique based on artificial viscosity.

Ruben Sevilla

Papers

Recent developments in CAD/analysis integration

Discontinuous Galerkin approximations in computational mechanics: hybridization, exact geometry and degree adaptivity

Numerical investigation on W-type index chalcogenide fiber based MIR supercontinuum generation

Nonintrusive reduced order model for parametric solutions of inertia relief problems

Hybridisable discontinuous Galerkin formulation of compressible flows