Parallel computation in efficient non-linear finite element analysis with applications to soft-ground tunneling project

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2004.Includes bibliographical references.Reliable prediction and control of ground movements represent an essential component of underground construction projects in congested urban environments, to mitigate against possible damage to adjacent structures and utilities. This research was motivated by the construction of a large underground cavern for the Rio Piedras station in San Juan, Puerto Rico. This project involved the construction of a large, horseshoe-shaped cavern (17m wide and 16m high) in weathered alluvial soils. The crown of the cavern is located less than 5.5m below existing buildings in a busy commercial district. Structural support for the cavern was provided by a series of 15 stacked drifts. These 3m square-section galleries were excavated mainly by hand and in-filled with concrete, while a compensation grouting system was designed to mitigate effects of excavation-induced ground movements on the overlying structures. Unexpectedly large settlements occurred during drift construction and overwhelmed the grouting system that was intended to compensate for tunnel-induced movements. Although two dimensional, non-linear finite element analyses of the stacked- drift construction suggest that movements exceeding 100mm can be expected, the 2-D representation of excavation and ground support is overly simplistic and represents a major source of uncertainty in these analyses. Massive computational efforts make more comprehensive 3-D models of the construction sequence completely impractical using existing finite element software with direct or iterative solver methods.(cont.) This thesis develops, implements, and applies an efficient parallel computation scheme for solving such large-scale, non-linear finite element analyses. The analyses couple a non- overlapping Domain Decomposition technique known as the FETI algorithm (Farhat & Roux, 1991) with a Newton-Raphson iteration scheme for non-linear material behavior. This method uses direct factorization of the equilibrium equations for sub-domains, while solving a separate interface problem iteratively with a mechanically consistent, Dirichlet pre- conditioner. The implementation allows independence of the number of sub-domains from the number of processors. This provides flexibility on mesh decomposition, control between iterative interface solutions and direct sub-domain solutions, and load balance in shared heterogeneous clusters. The analyses are performed with the developed code, FETI- FEM (programmed in C++ and MPI) using syntax consistent with pre-existing ABAQUS software. Benchmark testing on a Beowulf cluster of 16 interconnected commodity PC computers found excellent parallel efficiency, while the computation time scales with the number of finite elements, NE, according to a power law with exponent, p = 1.217. Parallel 3-D FE analyses have been applied in modeling the drift excavation, primary lining and infilling for the stacked-drift construction assuming a simplified soil profile. The resulting FE model comprised approximately 30,000 20-noded quadratic displacement-based elements, representing almost 400,000 degrees of freedom (at least one order of magnitude larger than any prior model reported in the geotechnical literature) and was sub-divided into 168 sub-domains ...by Yo-Ming Hsieh.Ph.D

Multiple-grid adaptive integral method for general multi-region problems

textEfficient electromagnetic solvers based on surface integral equations (SIEs) are developed for the analysis of scattering from large-scale and complex composite structures that consist of piecewise homogeneous magnetodielectric and perfect electrically/magnetically conducting (PEC/PMC) regions. First, a multiple-grid extension of the adaptive integral method (AIM) is presented for multi-region problems. The proposed method accelerates the iterative method-of-moments solution of the pertinent SIEs by employing multiple auxiliary Cartesian grids: If the structure of interest is composed of K homogeneous regions, it introduces K different auxiliary grids. It uses the k^{th} auxiliary grid first to determine near-zones for the basis functions and then to execute AIM projection/anterpolation, propagation, interpolation, and near-zone pre-correction stages in the k^{th} region. Thus, the AIM stages are executed a total of K times using different grids and different groups of basis functions. The proposed multiple-grid AIM scheme requires a total of O(N^{nz,near}+sum({N_k}^Clog{N_k}^C)) operations per iteration, where N^{nz,near} denotes the total number of near-zone interactions in all regions and {N_k}^C denotes the number of nodes of the k^{th} Cartesian grid. Numerical results validate the method’s accuracy and reduced complexity for large-scale canonical structures with large numbers of regions (up to 10^6 degrees of freedom and 10^3 regions). Then, a Green function modification approach and a scheme of Hankel- to Teoplitz-matrix conversions are efficiently incorporated to the multiple-grid AIM method to account for a PEC/PMC plane. Theoretical analysis and numerical examples show that, compared to a brute-force imaging scheme, the Green function modification approach reduces the simulation time and memory requirement by a factor of (almost) two or larger if the structure of interest is terminated on or resides above the plane, respectively. In addition, the SIEs are extended to cover structures composed of metamaterial regions, PEC regions, and PEC-material junctions. Moreover, recently introduced well-conditioned SIEs are adopted to achieve faster iterative solver convergence. Comprehensive numerical tests are performed to evaluate the accuracy, computational complexity, and convergence of the novel formulation which is shown to significantly reduce the number of iterations and the overall computational work. Lastly, the efficiency and capabilities of the proposed solvers are demonstrated by solving complex scattering problems, specifically those pertinent to analysis of wave propagation in natural forested environments, the design of metamaterials, and the application of metamaterials to radar cross section reduction.Electrical and Computer Engineerin

Strategies for producing fast finite element solutions of the incompressible Navier-Stokes equations on massively parallel architectures

To take advantage of the inherent flexibility of the finite element method in solving for flows within complex geometries, it is necessary to produce efficient implementations of the method. Segregation of the solution scheme and the use of parallel computers are two ways of doing this. Here, the optimisation of a sequential segregated finite element algorithm is discussed, together with the various strategies by which this is done. Furthermore, the implications of parallelising the code onto a massively parallel computer, the MasPar, are explored. This machine is of Single Instruction Multiple Data type and so modifications to the computer code have been necessary. A general methodology for the implementation of finite element programs is presented based on projecting the levels of data within the algorithm into a form which is ideal for parallelisation. Application of this methodology, in a high level language, has resulted in a code which runs at just under 30MFlops (in double precision). The computations are performed with minimal inter-processor communication and this represents an efficiency of 20% of the theoretical peak speed. Even though only high level language constructs have been used, this efficiency is comparable with other work using low level constructs on machines of this architecture. In particular, the use of data parallel arrays and the utilisation of the non-unique machine specific features of the computer architecture have produced an efficient, fast program

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

Fast algorithms for frequency domain wave propagation

textHigh-frequency wave phenomena is observed in many physical settings, most notably in acoustics, electromagnetics, and elasticity. In all of these fields, numerical simulation and modeling of the forward propagation problem is important to the design and analysis of many systems; a few examples which rely on these computations are the development of metamaterial technologies and geophysical prospecting for natural resources. There are two modes of modeling the forward problem: the frequency domain and the time domain. As the title states, this work is concerned with the former regime. The difficulties of solving the high-frequency wave propagation problem accurately lies in the large number of degrees of freedom required. Conventional wisdom in the computational electromagnetics commmunity suggests that about 10 degrees of freedom per wavelength be used in each coordinate direction to resolve each oscillation. If K is the width of the domain in wavelengths, the number of unknowns N grows at least by O(K^2) for surface discretizations and O(K^3) for volume discretizations in 3D. The memory requirements and asymptotic complexity estimates of direct algorithms such as the multifrontal method are too costly for such problems. Thus, iterative solvers must be used. In this dissertation, I will present fast algorithms which, in conjunction with GMRES, allow the solution of the forward problem in O(N) or O(N log N) time.Computational Science, Engineering, and Mathematic

Efficient upwind algorithms for solution of the Euler and Navier-stokes equations

An efficient three-dimensionasl tructured solver for the Euler and Navier-Stokese quations is developed based on a finite volume upwind algorithm using Roe fluxes. Multigrid and optimal smoothing multi-stage time stepping accelerate convergence. The accuracy of the new solver is demonstrated for inviscid flows in the range 0.675 :5M :5 25. A comparative grid convergence study for transonic turbulent flow about a wing is conducted with the present solver and a scalar dissipation central difference industrial design solver. The upwind solver demonstrates faster grid convergence than the central scheme, producing more consistent estimates of lift, drag and boundary layer parameters. In transonic viscous computations, the upwind scheme with convergence acceleration is over 20 times more efficient than without it. The ability of the upwind solver to compute viscous flows of comparable accuracy to scalar dissipation central schemes on grids of one-quarter the density make it a more accurate, cost effective alternative. In addition, an original convergencea cceleration method termed shock acceleration is proposed. The method is designed to reduce the errors caused by the shock wave singularity M -+ 1, based on a localized treatment of discontinuities. Acceleration models are formulated for an inhomogeneous PDE in one variable. Results for the Roe and Engquist-Osher schemes demonstrate an order of magnitude improvement in the rate of convergence. One of the acceleration models is extended to the quasi one-dimensiona Euler equations for duct flow. Results for this case d monstrate a marked increase in convergence with negligible loss in accuracy when the acceleration procedure is applied after the shock has settled in its final cell. Typically, the method saves up to 60% in computational expense. Significantly, the performance gain is entirely at the expense of the error modes associated with discrete shock structure. In view of the success achieved, further development of the method is proposed

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

Generalized averaged Gaussian quadrature and applications

A simple numerical method for constructing the optimal generalized averaged Gaussian quadrature formulas will be presented. These formulas exist in many cases in which real positive GaussKronrod formulas do not exist, and can be used as an adequate alternative in order to estimate the error of a Gaussian rule. We also investigate the conditions under which the optimal averaged Gaussian quadrature formulas and their truncated variants are internal

Modeling EMI Resulting from a Signal Via Transition Through Power/Ground Layers

Signal transitioning through layers on vias are very common in multi-layer printed circuit board (PCB) design. For a signal via transitioning through the internal power and ground planes, the return current must switch from one reference plane to another reference plane. The discontinuity of the return current at the via excites the power and ground planes, and results in noise on the power bus that can lead to signal integrity, as well as EMI problems. Numerical methods, such as the finite-difference time-domain (FDTD), Moment of Methods (MoM), and partial element equivalent circuit (PEEC) method, were employed herein to study this problem. The modeled results are supported by measurements. In addition, a common EMI mitigation approach of adding a decoupling capacitor was investigated with the FDTD method