Dg And Hdg Methods For Curved Structures

We introduce and analyze discontinuous Galerkin methods for a Naghdi type arch model. We prove that, when the numerical traces are properly chosen, the methods display optimal convergence uniformly with respect to the thickness of the arch. These methods are thus free from membrane and shear locking. We also prove that, when polynomials of degree $k$ are used, {\em all} the numerical traces superconverge with a rate of order h 2k+1. Based on the superconvergent phenomenon and we show how to post-process them in an element-by-element fashion to obtain a far better approximation. Indeed, we prove that, if polynomials of degree k are used, the post-processed approximation converges with order 2k+1 in the L2-norm throughout the domain. This has to be contrasted with the fact that before post-processing, the approximation converges with order k+1 only. Moreover, we show that this superconvergence property does not deteriorate as the thickness of the arch becomes extremely small. Since the DG methods suffer from too many degree of freedoms we introduce and analyze a class of hybridizable discontinuous Galerkin (HDG) methods for Naghdi arches. The main feature of these methods is that they can be implemented in an efficient way through a hybridization procedure which reduces the globally coupled unknowns to approximations to the transverse and tangential displacement and bending moment at the element boundaries. The error analysis of the methods is based on the use of a projection especially designed to fit the structure of the numerical traces of the method. This property allows to prove in a very concise manner that the projection of the errors is bounded in terms of the distance between the exact solution and its projection. The study of the influence of the stabilization function on the approximation is then reduced to the study of how they affect the approximation properties of the projection in a single element. Consequently, we prove that HDG methods have the same result as DG methods. At the end of the thesis, we talk a little bit of shell problems

A Class of Embedded DG Methods for Dirichlet Boundary Control of Convection Diffusion PDEs

We investigated an hybridizable discontinuous Galerkin (HDG) method for a convection diffusion Dirichlet boundary control problem in our earlier work [SIAM J. Numer. Anal. 56 (2018) 2262-2287] and obtained an optimal convergence rate for the control under some assumptions on the desired state and the domain. In this work, we obtain the same convergence rate for the control using a class of embedded DG methods proposed by Nguyen, Peraire and Cockburn [J. Comput. Phys. vol. 302 (2015), pp. 674-692] for simulating fluid flows. Since the global system for embedded DG methods uses continuous elements, the number of degrees of freedom for the embedded DG methods are smaller than the HDG method, which uses discontinuous elements for the global system. Moreover, we introduce a new simpler numerical analysis technique to handle low regularity solutions of the boundary control problem. We present some numerical experiments to confirm our theoretical results

HDGlab: An Open-Source Implementation of the Hybridisable Discontinuous Galerkin Method in MATLAB

This paper presents HDGlab, an open source MATLAB implementation of the hybridisable discontinuous Galerkin (HDG) method. The main goal is to provide a detailed description of both the HDG method for elliptic problems and its implementation available in HDGlab. Ultimately, this is expected to make this relatively new advanced discretisation method more accessible to the computational engineering community. HDGlab presents some features not available in other implementations of the HDG method that can be found in the free domain. First, it implements high-order polynomial shape functions up to degree nine, with both equally-spaced and Fekete nodal distributions. Second, it supports curved isoparametric simplicial elements in two and three dimensions. Third, it supports non-uniform degree polynomial approximations and it provides a flexible structure to devise degree adaptivity strategies. Finally, an interface with the open-source high-order mesh generator Gmsh is provided to facilitate its application to practical engineering problems

Comparison and coupling of continuous and hybridizable discontinuous Galerkin methods : application to multi-physics problems

This thesis proposes a coupled continuous and hybridizable discontinuous Galerkin formulation to solve conjugate heat transfer problems. This model is then used to find the thermal response of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) tubular cross-section under fire. The first step of this thesis is to compare the computational efficiency of high-order Continuous Galerkin (CG) and Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) methods for incompressible fluid flow problems in low Reynolds number regimes. Only 2-D examples and direct solvers are considered in the present work. A thoroughly comparison in terms of CPU time and accuracy for both discretization methods is made under the same platform. Various results presented suggests that HDG can be more efficient than CG when the CPU time, for a given degree, is considered. The stability of HDG and CG is studied using a manufactured solution that produces a sharp boundary layer, confirming that HDG provides smooth converged solutions in the presence of sharp fronts whereas, CG failed to converge due to the presence of numerical oscillations. Following, the solution of the coupled Navier-Stokes/convection-diffusion problem, using Boussinesq approximation, is formulated within the HDG framework and analysed using numerical experiments and benchmark problems. A coupling strategy between HDG and CG methods is proposed in the framework of second-order elliptic operators. The coupled formulation is implemented and its convergence properties are established numerically by using manufactured solutions. Finally, the proposed coupled formulation between HDG and CG for heat equation is combined with the coupled Navier--Stokes/convection diffusion equations to formulate a new CG-HDG model for solving conjugate heat transfer problems. Benchmark examples are solved using the proposed model and validated with literature values. The final part of the thesis applies the proposed CG-HDG coupled formulation to predict the thermal response of the GFRP tubular cross-section. The radiosity equation that governs the internal radiation is added to the CG-HDG coupled model. Estimates of the discretization errors are computed in order to establish the confidence intervals for quantities of interest. Results with the geometry having curved corners in the cavity are presented and shown to be within the estimated uncertainty intervals. CPU times for the linear solver suggests that the proposed CG-HDG model is more efficient than CG-CG model in all the cases considered.Neste trabalho é proposta uma formulação para acoplar os modelos continuous e hybridizable discontinuous Galerkin a fim de analisar problemas conjugados de transferência de calor. Este modelo é então usado para estudar a resposta térmica de perfis pultrudidos de secção tubular em polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) sob a acção do fogo. O primeiro passo desta tese é comparar a eficiência computacional dos métodos Continuous Galerkin (CG) e Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) de elevada ordem para problemas de escoamento de fluidos incompressíveis para valores reduzidos do número Reynolds. Apenas exemplos bidimensionais e métodos directos são considerados no presente trabalho. Uma comparação exaustiva em termos de tempo de CPU e precisão para ambos os métodos de discretização é efectuada sob uma plataforma comum. Os resultados apresentados sugerem que, em termos do tempo de CPU requerido, o HDG pode ser mais eficiente que o CG, para um determinado grau. A estabilidade do HDG e CG é estudada usando uma solução fabricada que produz uma abrupta descontinuidade, confirmando que o HDG fornece soluções convergentes e suaves na presença de descontinuidades, enquanto o CG não conseguiu convergir devido à presença de oscilações numéricas. Em seguida, a solução do problema acoplado Navier-Stokes/convecção-difusão, utilizando a aproximação de Boussinesq, é formulada no contexto HDG e analisada usando soluções de referência. Uma estratégia de acoplamento entre os métodos HDG e CG é proposta no âmbito de operadores elípticos de segunda ordem. A formulação acoplada é implementada e suas propriedades de convergência são estabelecidas numericamente usando soluções fabricadas. Finalmente, a formulação acoplada proposta entre HDG e CG para a equação do calor é combinada com as equações acopladas de Navier-Stokes/convecção-difusão para formular um novo modelo de CG-HDG para resolver problemas de transferência de calor conjugado. Exemplos de referência são resolvidos usando o modelo proposto e validados com valores de literatura. A parte final da tese aplica a formulação proposta CG-HDG acoplada para prever a resposta térmica de uma secção transversal tubular de GFRP. A equação de radiosidade que governa a radiação interna é adicionada ao modelo acoplado CG-HDG. Os erros de discretização são calculados para estabelecer os intervalos de confiança para quantidades de interesse. Resultados considerando a geometria circular dos cantos da cavidade são apresentados. Estes estão dentro do intervalo de incerteza estimado. Os tempos de CPU requeridos para resolver os sistemas de equações lineares sugerem que o modelo proposto CG-HDG é mais eficiente do que o modelo CG-CG em todos os casos considerados.En esta tesis se propone una formulación acoplada del método de los elementos finitos clásico (CG) y el método Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) para la a solución de problemas térmicos conjugados. El modelo se utiliza para determinar la respuesta al fuego de Polímeros Reforzados con Fibras de Vidrio (GFRP) con sección tubular. El primer paso de la tesis es la comparación de la eficiencia computacional de CG y HDG de alto orden para problemas de flujo incompresible para número de Reynolds (Re) bajo. Se consideran sólo ejemplos 2D y métodos de resolución de sistemas lineales directos. Se presenta una comparación en términos de tiempo de CPU y precisión en la solución para ambas discretizaciones, bajo la misma plataforma de implementación. Los resultados sugieren que HDG puede ser más eficiente computacionalmente que CG en tiempo de CPU, para un grado fijado. La estabilidad de HDG y CG para Re alto se estudia con una solución manufacturada que produce un frente pronunciado, confirmando que HDG proporciona soluciones convergidas suaves en presencia de frentes verticales, en casos en que las oscilaciones numéricas de CG no permiten llegar a convergencia. A continuación, se plantea la solución del problema acoplado Navier-Stokes/convección-difusión, con la aproximación de Boussinesq, en el contexto del método HDG, y se analiza con experimentos numéricos. Se propone una formulación acoplada HDG-CG para la ecuación del calor. Se comprueban numéricamente las propiedades de convergencia del método propuesto. Finalmente, se combina la formulación acoplada propuesta para la ecuación del calor con el acoplamiento con la ecuaciones de Navier-Stokes en el dominio del fluido, creando una nueva formulación CG-HDG para problemas térmicos conjugados. Se consideran tests clásicos para validar los resultados comparando con la literatura existente. La parte final de la tesis aplica la formulación acoplada CG-HDG propuesta a la predicción de la respuesta térmica de secciones tubulares de GFRP, incluyendo radiosidad interna en el modelo. Se calculan estimas de los errores de discretización para determinar intervalos de confianza para las cantidades de interés. Se presentan resultados con geometría con esquinas curvas en la cavidad mostrando resultados dentro de los intervalos de incertidumbre estimados. El tiempo de CPU para la resolución de sistemas sugiere que el modelo CG-HDG propuesto es más eficiente que el clásico método CG-CG en todos los casos considerados.This thesis proposes a coupled continuous and hybridizable discontinuous Galerkin formulation to solve conjugate heat transfer problems. This model is then used to find the thermal response of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) tubular cross-section under fire. The first step of this thesis is to compare the computational efficiency of high-order Continuous Galerkin (CG) and Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) methods for incompressible fluid flow problems in low Reynolds number regimes. Only 2-D examples and direct solvers are considered in the present work. A thoroughly comparison in terms of CPU time and accuracy for both discretization methods is made under the same platform. Various results presented suggests that HDG can be more efficient than CG when the CPU time, for a given degree, is considered. The stability of HDG and CG is studied using a manufactured solution that produces a sharp boundary layer, confirming that HDG provides smooth converged solutions in the presence of sharp fronts whereas, CG failed to converge due to the presence of numerical oscillations. Following, the solution of the coupled Navier–Stokes/convection-diffusion problem, using Boussinesq approximation, is formulated within the HDG framework and analysed using numerical experiments and benchmark problems. A coupling strategy between HDG and CG methods is proposed in the framework of second-order elliptic operators. The coupled formulation is implemented and its convergence properties are established numerically by using manufactured solutions. Finally, the proposed coupled formulation between HDG and CG for heat equation is combined with the coupled Navier–Stokes/convection diffusion equations to formulate a new CG-HDG model for solving conjugate heat transfer problems. Benchmark examples are solved using the proposed model and validated with literature values. The final part of the thesis applies the proposed CG-HDG coupled formulation to predict the thermal response of the GFRP tubular cross-section. The radiosity equation that governs the internal radiation is added to the CG-HDG coupled model. Estimates of the discretization errors are computed in order to establish the confidence intervals for quantities of interest. Results with the geometry having curved corners in the cavity are presented and shown to be within the estimated uncertainty intervals. CPU times for the linear solver suggests that the proposed CG-HDG model is more efficient than CG-CG model in all the cases consideredNeste trabalho é proposta uma formulação para acoplar os modelos continuous e hybridizable discontinuous Galerkin a fim de analisar problemas conjugados de transferência de calor. Este modelo é então usado para estudar a resposta térmica de perfis pultrudidos de secção tubular em polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) sob a acção do fogo. O primeiro passo desta tese é comparar a eficiência computacional dos métodos continuous Galerkin (CG) e Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) de elevada ordem para problemas de escoamento de fluidos incompressíveis para valores reduzidos do número Reynolds. Apenas exemplos bidimensionais e métodos directos são considerados no presente trabalho. Uma comparação exaustiva em termos de tempo de CPU e precisão para ambos os métodos de discretização é efectuada sob uma plataforma comum. Os resultados apresentados sugerem que, em termos do tempo de CPU requerido, o HDG pode ser mais eficiente que o CG, para um determinado grau. A estabilidade do HDG e CG é estudada usando uma solução fabricada que produz uma abrupta descontinuidade, confirmando que o HDG fornece soluções convergentes e suaves na presença de descontinuidades, enquanto o CG não conseguiu convergir devido à presença de oscilações numéricas. Em seguida, a solução do problema acoplado Navier-Stokes/convecção-difusão, utilizando a aproximação de Boussinesq, é formulada no contexto HDG e analisada usando soluções de referência. Uma estratégia de acoplamento entre os métodos HDG e CG é proposta no âmbito de operadores elípticos de segunda ordem. A formulação acoplada é implementada e suas propriedades de convergência são estabelecidas numericamente usando soluções fabricadas. Finalmente, a formulação acoplada proposta entre HDG e CG para a equação do calor é combinada com as equações acopladas de Navier-Stokes/convecção-difusão para formular um novo modelo de CG-HDG para resolver problemas de transferência de calor conjugado. Exemplos de referência são resolvidos usando o modelo proposto e validados com valores de literatura. A parte final da tese aplica a formulação proposta CG-HDG acoplada para prever a resposta térmica de uma secção transversal tubular de GFRP. A equação de radiosidade que governa a radiação interna é adicionada ao modelo acoplado CG-HDG. Os erros de discretização são calculados para estabelecer os intervalos de confiança para quantidades de interesse. Resultados considerando a geometria circular dos cantos da cavidade são apresentados. Estes estão dentro do intervalo de incerteza estimado. Os tempos de CPU requeridos para resolver os sistemas de equações lineares sugerem que o modelo proposto CG-HDG é mais eficiente do que o modelo CG-CG em todos os casos considerados.En esta tesis se propone una formulación acoplada del método de los elementos finitos clásico (CG) y el método Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) para la a solución de problemas térmicos conjugados. El modelo se utiliza para determinar la respuesta al fuego de Polímeros Reforzados con Fibras de Vidrio (GFRP) con sección tubular. El primer paso de la tesis es la comparación de la eficiencia computacional de CG y HDG de alto orden para problemas de flujo incompresible para número de Reynolds (Re) bajo. Se consideran sólo ejemplos 2D y métodos de resolución de sistemas lineales directos. Se presenta una comparación en términos de tiempo de CPU y precisión en la solución para ambas discretizaciones, bajo la misma plataforma de implementación. Los resultados sugieren que HDG puede ser más eficiente computacionalmente que CG en tiempo de CPU, para un grado fijado. La estabilidad de HDG y CG para Re alto se estudia con una solución manufacturada que produce un frente pronunciado, confirmando que HDG proporciona soluciones convergidas suaves en presencia de frentes verticales, en casos en que las oscilaciones numéricas de CG no permiten llegar a convergencia. A continuación, se plantea la solución del problema acoplado Navier-Stokes/conveccióndifusión, con la aproximación de Boussinesq, en el contexto del método HDG, y se analiza con experimentos numéricos. Se propone una formulación acoplada HDG-CG para la ecuación del calor. Se comprueban numéricamente las propiedades de convergencia del método propuesto. Finalmente, se combina la formulación acoplada propuesta para la ecuación del calor con el acoplamiento con la ecuaciones de Navier-Stokes en el dominio del fluido, creando una nueva formulación CG-HDG para problemas térmicos conjugados. Se consideran ejemplos clásicos para validar los resultados comparando con la literatura existente. La parte final de la tesis aplica la formulación acoplada CG-HDG propuesta a la predicción de la respuesta térmica de secciones tubulares de GFRP, incluyendo radiosidad interna en el modelo. Se calculan estimas de los errores de discretización para determinar intervalos de confianza para las cantidades de interés. Se presentan resultados con geometría con esquinas curvas en la cavidad mostrando resultados dentro de los intervalos de incertidumbre estimados. El tiempo de CPU para la resolución de sistemas sugiere que el modelo CG-HDG propuesto es más eficiente que el clásico método CG-CG en todos los casos considerados.Postprint (published version

Hybridizable discontinuous Galerkin method for nonlinear elasticity

University of Minnesota Ph.D. dissertation. November 2017. Major: Mathematics. Advisor: Bernardo Cockburn. 1 computer file (PDF); 1viii, 128 pages.Hybridizable discontinuous Galerkin method for nonlinear elasticit