Space-time Methods for Time-dependent Partial Differential Equations

Modern discretizations of time-dependent PDEs consider the full problem in the space-time cylinder and aim to overcome limitations of classical approaches such as the method of lines (first discretize in space and then solve the resulting ODE) and the Rothe method (first discretize in time and then solve the PDE). A main advantage of a holistic space-time method is the direct access to space-time adaptivity and to the backward problem (required for the dual problem in optimization or error control). Moreover, this allows for parallel solution strategies simultaneously in time and space. Several space-time concepts where proposed (different conforming and nonconforming space-time finite elements, the parareal method, wavefront relaxation etc.) but this topic has become a rapidly growing field in numerical analysis and scientific computing. In this workshop the focus is the development of adaptive and flexible space-time discretization methods for solving parabolic and hyperbolic space-time partial differential equations

An Accurate and Robust Numerical Scheme for Transport Equations

En esta tesis se presenta una nueva técnica de discretización para ecuaciones de transporte en problemas de convección-difusión para el rango completo de números de Péclet. La discretización emplea el flujo exacto de una ecuación de transporte unidimensional en estado estacionario para deducir una ecuación discreta de tres puntos en problemas unidimensionales y cinco puntos en problemas bidimensionales. Con "flujo exacto" se entiende que se puede obtener la solución exacta en función de integrales de algunos parámetros del fluido y flujo, incluso si estos parámetros son vari- ables en un volumen de control. Las cuadraturas de alto orden se utilizan para lograr resultados numéricos cercanos a la precisión de la máquina, incluso con mallas bastas.Como la discretización es esencialmente unidimensional, no está garantizada una solución con precisión de máquina para problemas multidimensionales, incluso en los casos en que las integrales a lo largo de cada coordenada cartesiana tienen una primitiva. En este sentido, la contribución principal de esta tesis consiste en una forma simple y elegante de obtener soluciones en problemas multidimensionales sin dejar de utilizar la formulación unidimensional. Además, si el problema es tal que la solución tiene precisión de máquina en el problema unidimensional a lo largo de las líneas coordenadas, también la tendrá para el dominio multidimensional.In this thesis, we present a novel discretization technique for transport equations in convection-diffusion problems across the whole range of Péclet numbers. The discretization employs the exact flux of a steady-state one-dimensional transport equation to derive a discrete equation with a three-point stencil in one-dimensional problems and a five-point stencil in two-dimensional ones. With "exact flux" it is meant that the exact solution can be obtained as a function of integrals of some fluid and flow parameters, even if these parameters are variable across a control volume. High-order quadratures are used to achieve numerical results close to machine- accuracy even with coarse grids. As the discretization is essentially one-dimensional, getting the machine- accurate solution of multidimensional problems is not guaranteed even in cases where the integrals along each Cartesian coordinate have a primitive. In this regard, the main contribution of this thesis consists in a simple and elegant way of getting solutions in multidimensional problems while still using the one-dimensional formulation. Moreover, if the problem is such that the solution is machine-accurate in the one-dimensional problem along coordinate lines, it will also be for the multidimensional domain.<br /

MS FT-2-2 7 Orthogonal polynomials and quadrature: Theory, computation, and applications

Quadrature rules find many applications in science and engineering. Their analysis is a classical area of applied mathematics and continues to attract considerable attention. This seminar brings together speakers with expertise in a large variety of quadrature rules. It is the aim of the seminar to provide an overview of recent developments in the analysis of quadrature rules. The computation of error estimates and novel applications also are described

Multidimensional approximate Riemann solvers for hyperbolic systems

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de resolvedores de Riemann multidimensionales incompletos eficientes para sistemas hiperbólicos generales, aplicables tanto en el caso conservativo como en el no conservativo. Dichos resolvedores se construyen a partir de un modelo de cuatro ondas, dadas por las velocidades de propagación maximales en cada vértice de una malla estructurada. En particular, se construye una versión simple de un esquema HLL 2D bien equilibrado, la cual se toma como base para diseñar una clase más general de resolvedores de Riemann incompletos 2D, los denominados esquemas AVM (Approximate Viscosity Matrix). La gran ventaja de los esquemas AVM es la posibilidad de controlar la cantidad de difusión numérica considerada para cada sistema hiperbólico, con un coste computacional razonable. Se demuestra que los esquemas numéricos de primer orden resultantes son consistentes con el sistema hiperbólico considerado, y linealmente estables bajo una condición CFL de hasta la unidad. Tales esquemas pueden ser usados como base para construir esquemas de alto orden. En esta tesis, se construye un esquema de segundo orden mediante el método predictor-corrector MUSCL-Hancock. Para analizar las propiedades de los esquemas propuestos, se han considerado experimentos numéricos en magnetohidrodinámica (MHD) y sistemas de aguas someras (SWE) de una y dos capas. En el caso de MHD, la condición de divergencia nula se ha impuesto mediante una nueva técnica basada en la escritura no conservativa de las ecuaciones. Por otro lado, para SWE, la presencia de la topografía del fondo y de los términos de acoplamiento entre capas representan una dificultad adicional, que se resuelve dentro del marco de los esquemas camino-conservativos. Por último, se ha desarrollado un algoritmo simple y eficiente para la implementación de los esquemas en tarjetas gráficas (GPU), con el objetivo de aumentar la eficiencia computacional