A μ-mode BLAS approach for multidimensional tensor-structured problems

In this manuscript, we present a common tensor framework which can be used to generalize one-dimensional numerical tasks to arbitrary dimension d by means of tensor product formulas. This is useful, for example, in the context of multivariate interpolation, multidimensional function approximation using pseudospectral expansions and solution of stiff differential equations on tensor product domains. The key point to obtain an efficient-to-implement BLAS formulation consists in the suitable usage of the mu-mode product (also known as tensor-matrix product or mode-n product) and related operations, such as the Tucker operator. Their MathWorks MATLAB (R)/GNU Octave implementations are discussed in the paper, and collected in the package KronPACK. We present numerical results on experiments up to dimension six from different fields of numerical analysis, which show the effectiveness of the approach

Integrated 2D-3D free surface hydro-environmental modelling

An integrated horizontally two- and fully three-dimensional numerical model system has been developed based on a combined unstructured and σ-coordinate grid to simulate the flow and water quality process in large water bodies with a focus on the three dimensional behaviours at specific areas. The model is based on the time dependent Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations with a non-hydrostatic pressure distribution and a baroclinic force being incorporated in the three dimensional (3D) model. The two sub models interact dynamically during the solution procedure with no time-step restriction due to integration. The main idea is to use a fractional step algorithm for each model and then integrate the two models fraction by fraction. Hybrid 2D-3D finite volume cells have been introduced for the link nodes which are partly in the 2D domain and partly in the 3D domain. Thus an interpolation/averaging procedure at the interface and domain overlapping is no longer needed. The 3D model uses the projection method for pressure calculation. The advection equation is solved by the semi-Lagrangian method. Other components are solved via the finite element - finite volume (FV) method. The water surface is determined implicitly through a global matrix equation created by assembling the domain's matrices. The cell integrals are calculated analytically to eliminate a common source of numerical diffusion due to the use of approximation techniques for the FV integrals. The horizontal gradients of the density and shear stresses are calculated on true horizontal planes, in order to avoid artificial velocity and diffusion in highly stratified flows. Neumann interpolation elements with virtual nodes have been introduced at Neumann type of boundaries for more accuracy. The integrated model has been verified using analytical solutions and benchmark test cases, including the Ekman velocity distribution, wind driven circulation, lock exchange and integrated 2D-3D flows in basin. The results show the model is capable of the model for accurate simulation and implicit 2D-3D integration. Keywords: integrated modelling, hydrodynamic numerical model, non-hydrostatic, unstructured mesh, hybrid finite element finite volume method.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Integrated 2D-3D free surface hydro-environmental modelling

An integrated horizontally two- and fully three-dimensional numerical model system has been developed based on a combined unstructured and σ-coordinate grid to simulate the flow and water quality process in large water bodies with a focus on the three dimensional behaviours at specific areas. The model is based on the time dependent Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations with a non-hydrostatic pressure distribution and a baroclinic force being incorporated in the three dimensional (3D) model. The two sub models interact dynamically during the solution procedure with no time-step restriction due to integration. The main idea is to use a fractional step algorithm for each model and then integrate the two models fraction by fraction. Hybrid 2D-3D finite volume cells have been introduced for the link nodes which are partly in the 2D domain and partly in the 3D domain. Thus an interpolation/averaging procedure at the interface and domain overlapping is no longer needed. The 3D model uses the projection method for pressure calculation. The advection equation is solved by the semi-Lagrangian method. Other components are solved via the finite element - finite volume (FV) method. The water surface is determined implicitly through a global matrix equation created by assembling the domain's matrices. The cell integrals are calculated analytically to eliminate a common source of numerical diffusion due to the use of approximation techniques for the FV integrals. The horizontal gradients of the density and shear stresses are calculated on true horizontal planes, in order to avoid artificial velocity and diffusion in highly stratified flows. Neumann interpolation elements with virtual nodes have been introduced at Neumann type of boundaries for more accuracy. The integrated model has been verified using analytical solutions and benchmark test cases, including the Ekman velocity distribution, wind driven circulation, lock exchange and integrated 2D-3D flows in basin. The results show the model is capable of the model for accurate simulation and implicit 2D-3D integration. Keywords: integrated modelling, hydrodynamic numerical model, non-hydrostatic, unstructured mesh, hybrid finite element finite volume method

Institute for Computer Applications in Science and Engineering (ICASE)

Research conducted at the Institute for Computer Applications in Science and Engineering in applied mathematics, numerical analysis and computer science during the period April 1, 1983 through September 30, 1983 is summarized

Exponential integrators: tensor structured problems and applications

The solution of stiff systems of Ordinary Differential Equations (ODEs), that typically arise after spatial discretization of many important evolutionary Partial Differential Equations (PDEs), constitutes a topic of wide interest in numerical analysis. A prominent way to numerically integrate such systems involves using exponential integrators. In general, these kinds of schemes do not require the solution of (non)linear systems but rather the action of the matrix exponential and of some specific exponential-like functions (known in the literature as phi-functions). In this PhD thesis we aim at presenting efficient tensor-based tools to approximate such actions, both from a theoretical and from a practical point of view, when the problem has an underlying Kronecker sum structure. Moreover, we investigate the application of exponential integrators to compute numerical solutions of important equations in various fields, such as plasma physics, mean-field optimal control and computational chemistry. In any case, we provide several numerical examples and we perform extensive simulations, eventually exploiting modern hardware architectures such as multi-core Central Processing Units (CPUs) and Graphic Processing Units (GPUs). The results globally show the effectiveness and the superiority of the different approaches proposed

Modeling and computation of Bose-Einstein condensates: stationary states, nucleation, dynamics, stochasticity

International audienceThe aim of this chapter is first to give an introduction to the derivation of the Gross-Pitaevskii Equations (GPEs) that arise in the modeling of Bose-Einstein Condensates (BECs). In particular, we describe some physical problems related to stationary states, dynamics, multi-components BECs and the possibility of handling stochastic effects into the equation. Next, we explain how to compute the stationary (and ground) states of the GPEs through the imaginary time method (also called Conjugate Normalized Gradient Flow) and finite difference or pseudo-spectral dis-cretization techniques. Examples are provided by using GPELab which is a Mat-lab toolbox dedicated to the numerical solution of GPEs. Finally, we explain how to discretize correctly the time-dependent GPE so that the schemes are physically admissible. We again provide some examples by using GPELab. Furthermore, extensions of the discretization schemes to some classes of stochastic (in time) GPEs are described and analyzed

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone