Parallel solution of eigenproblems in structural dynamics using the implicitly restarted Lanczos method

This paper presents a parallel implementation of the implicitly restarted Lanczos method for the solution of large and sparse eigenproblems that occur in modal analysis of complex structures using the finite element method. The implicitly restarted technique improves convergence of the desired eigenvalues without the penalty of lost of orthogonality keeping the number of factorization steps in a modest size. In the parallel solution, a subdomain by subdomain approach was implemented and overlapping and non-overlapping mesh partitions were used. Compressed data structures in the formats CSRC and CSRC/CSR were employed to store the global matrices coefficients. The parallelization of numerical linear algebra operations presented in both Krylov and implicitly restarted methods are discussed

Inner-outer Iterative Methods for Eigenvalue Problems - Convergence and Preconditioning

Many methods for computing eigenvalues of a large sparse matrix involve shift-invert transformations which require the solution of a shifted linear system at each step. This thesis deals with shift-invert iterative techniques for solving eigenvalue problems where the arising linear systems are solved inexactly using a second iterative technique. This approach leads to an inner-outer type algorithm. We provide convergence results for the outer iterative eigenvalue computation as well as techniques for efficient inner solves. In particular eigenvalue computations using inexact inverse iteration, the Jacobi-Davidson method without subspace expansion and the shift-invert Arnoldi method as a subspace method are investigated in detail. A general convergence result for inexact inverse iteration for the non-Hermitian generalised eigenvalue problem is given, using only minimal assumptions. This convergence result is obtained in two different ways; on the one hand, we use an equivalence result between inexact inverse iteration applied to the generalised eigenproblem and modified Newton's method; on the other hand, a splitting method is used which generalises the idea of orthogonal decomposition. Both approaches also include an analysis for the convergence theory of a version of inexact Jacobi-Davidson method, where equivalences between Newton's method, inverse iteration and the Jacobi-Davidson method are exploited. To improve the efficiency of the inner iterative solves we introduce a new tuning strategy which can be applied to any standard preconditioner. We give a detailed analysis on this new preconditioning idea and show how the number of iterations for the inner iterative method and hence the total number of iterations can be reduced significantly by the application of this tuning strategy. The analysis of the tuned preconditioner is carried out for both Hermitian and non-Hermitian eigenproblems. We show how the preconditioner can be implemented efficiently and illustrate its performance using various numerical examples. An equivalence result between the preconditioned simplified Jacobi-Davidson method and inexact inverse iteration with the tuned preconditioner is given. Finally, we discuss the shift-invert Arnoldi method both in the standard and restarted fashion. First, existing relaxation strategies for the outer iterative solves are extended to implicitly restarted Arnoldi's method. Second, we apply the idea of tuning the preconditioner to the inner iterative solve. As for inexact inverse iteration the tuned preconditioner for inexact Arnoldi's method is shown to provide significant savings in the number of inner solves. The theory in this thesis is supported by many numerical examples.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

A periodic Krylov-Schur algorithm for large matrix products

Stewart's recently introduced Krylov-Schur algorithm is a modification of the implicitly restarted Arnoldi algorithm which employs reordered Schur decompositions to perform restarts and deflations in a numerically reliable manner. This paper describes a variant of the Krylov-Schur algorithm suitable for addressing eigenvalue problems associated with products of large and sparse matrices. It performs restarts and deflations via reordered periodic Schur decompositions and, by taking the product structure into account, it is capable of achieving qualitatively better approximations to eigenvalues of small magnitude

The computation of eigenvalues of large sparse matrices

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN028558 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Implementación paralela de métodos de Krylov con reinicio para problemas de valores propios y singulares

Esta tesis aborda la paralelización de los métodos de Krylov con reinicio para problemas de valores propios y valores singulares (SVD). Estos métodos son de naturaleza iterativa y resultan adecuados para encontrar unos pocos valores propios o singulares de problemas dispersos. El procedimiento de ortogonalización suele ser la parte más costosa de este tipo de métodos, por lo que ha recibido especial atención en esta tesis, proponiendo y validando nuevos algoritmos para mejorar sus prestaciones paralelas. La implementación se ha realizado en el marco de la librería SLEPc, que proporciona una interfaz orientada a objetos para la resolución iterativa de problemas de valores propios o singulares. SLEPc está basada en la librería PETSc, que dispone de implementaciones paralelas de métodos iterativos para la resolución de sistemas lineales, precondicionadores, matrices dispersas y vectores. Ambas librerías están optimizadas para su ejecución en máquinas paralelas de memoria distribuida y con problemas dispersos de gran dimensión. Esta implementación incorpora los métodos para valores propios de Arnoldi con reinicio explícito, de Lanczos (incluyendo variantes semiortogonales) con reinicio explícito, y versiones de Krylov-Schur (equivalente al reinicio implícito) para problemas no Hermitianos y Hermitianos (Lanczos con reinicio grueso). Estos métodos comparten una interfaz común, permitiendo su comparación de forma sencilla, característica que no está disponible en otras implementaciones. Las mismas técnicas utilizadas para problemas de valores propios se han adaptado a los métodos de Golub-Kahan-Lanczos con reinicio explícito y grueso para problemas de valores singulares, de los que no existe ninguna otra implementación paralela con paso de mensajes. Cada uno de los métodos se ha validado mediante una batería de pruebas con matrices procedentes de aplicaciones reales. Las prestaciones paralelas se han medido en máquinas tipo cluster, comprobando una buena escalabilidad incTomás Domínguez, A. (2009). Implementación paralela de métodos de Krylov con reinicio para problemas de valores propios y singulares [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/5082Palanci

Numerische Umsetzung der Galbrun-Gleichung zur Modalanalyse strömender Medien in Außenraumproblemen unter Einsatz finiter und infiniter Elemente

In der vorliegenden Arbeit wird ein Programmcode zur numerischen Modalanalyse dreidimensionaler Fluide in komplexen akustischen Systemen, speziell in Resonatoren, entwickelt. Mit diesem Code ist es möglich, turbulente Strömungen im Rahmen der Modalanalyse zu berücksichtigen. Hierzu wird ein realistisches Strömungsprofil, ermittelt mithilfe eines 3D-Navier-Stokes-Lösers, verwendet. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Herleitung der für die Berechnung notwendigen Galbrun-Gleichung und deren Aufbereitung zur numerischen Analyse. Für die numerische Umsetzung kommt die Methode der finiten Elemente in Verbindung mit komplex konjugierten, infiniten Astley-Leis Elementen zur Anwendung. Die infiniten Elemente werden genutzt, um in den betrachteten Außenraumproblemen die Abstrahlung in das Fernfeld abzubilden. Nach der Anwendung des entwickelten Programmcodes auf einfachere Modelle erfolgen Untersuchungen zur Intonation einer Blockflöte. Hierzu wird das Fluid innerhalb und im Nahfeld des Instruments unter Berücksichtigung des turbulenten Strömungsprofils, welches sich beim Spielen der Blockflöte ausbildet, betrachtet. Im Ergebnis stehen die Eigenwerte des Instruments in Abhängigkeit von der gewählten Griffkombination. Zur Evaluierung der Ergebnisse und zur Untersuchung des Einflusses der Strömung auf den Klang erfolgt der Vergleich mit den exakten Eigenfrequenzen. Die Galbrun-Gleichung wurde bereits von anderen Autoren untersucht und auf akustische Problemstellungen angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt jedoch erstmalig die Anwendung der Galbrun-Gleichung auf Eigenwertprobleme. Darüber hinaus sind der Autorin keine Arbeiten bekannt, die sich mit dreidimensionalen Modellen befassen. In der vorliegenden Arbeit werden somit erstmals komplexe dreidimensionale Modelle unter Anwendung der Galbrun-Gleichung untersucht