83 research outputs found

    Hybridizable compatible finite element discretizations for numerical weather prediction: implementation and analysis

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    There is a current explosion of interest in new numerical methods for atmospheric modeling. A driving force behind this is the need to be able to simulate, with high efficiency, large-scale geophysical flows on increasingly more parallel computer systems. Many current operational models, including that of the UK Met Office, depend on orthogonal meshes, such as the latitude-longitude grid. This facilitates the development of finite difference discretizations with favorable numerical properties. However, such methods suffer from the ``pole problem," which prohibits the model to make efficient use of a large number of computing processors due to excessive concentration of grid-points at the poles. Recently developed finite element discretizations, known as ``compatible" finite elements, avoid this issue while maintaining the key numerical properties essential for accurate geophysical simulations. Moreover, these properties can be obtained on arbitrary, non-orthogonal meshes. However, the efficient solution of the resulting discrete systems depend on transforming the mixed velocity-pressure (or velocity-pressure-buoyancy) system into an elliptic problem for the pressure. This is not so straightforward within the compatible finite element framework due to inter-element coupling. This thesis supports the proposition that systems arising from compatible finite element discretizations can be solved efficiently using a technique known as ``hybridization." Hybridization removes inter-element coupling while maintaining the desired numerical properties. This permits the construction of sparse, elliptic problems, for which fast solver algorithms are known, using localized algebra. We first introduce the technique for compatible finite element discretizations of simplified atmospheric models. We then develop a general software abstraction for the rapid implementation and composition of hybridization methods, with an emphasis on preconditioning. Finally, we extend the technique for a new compatible method for the full, compressible atmospheric equations used in operational models.Open Acces

    Multiscale Interactions in Geophysical Fluids

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    The dynamics of the atmosphere and ocean involves a broad range of spatial and temporal scales, many of which emerge through complex nonlinear mechanisms from forcings at very different scales. This poses major challenges for the numerical prediction of the weather, ocean state and climate: many processes have scales that are too small to be resolved yet they play an essential role in determining large-scale features. This workshop examined how modern mathematical methods – ranging from multiscale asymptotics to adaptive numerical methods and stochastic modelling – can be applied to represent the large-scale impact of these small-scale processes and improve both deterministic and probabilistic predictions

    Multidimensional approximate Riemann solvers for hyperbolic systems

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    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

    Incompressible Boundary Layer Instability and Transition

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    MARE-WINT: New Materials and Reliability in Offshore Wind Turbine Technology

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    renewable; green; energy; environment; law; polic

    Variational multiscale stabilization of finite and spectral elements for dry and moist atmospheric problems

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    In this thesis the finite and spectral element methods (FEM and SEM, respectively) applied to problems in atmospheric simulations are explored through the common thread of Variational Multiscale Stabilization (VMS). This effort is justified by three main reasons. (i) the recognized need for new solvers that can efficiently execute on massively parallel architectures ¿a spreading framework in most fields of computational physics in which numerical weather prediction (NWP) occupies a prominent position. Element-based methods (e.g. FEM, SEM, discontinuous Galerkin) have important advantages in parallel code development; (ii) the inherent flexibility of these methods with respect to the geometry of the grid makes them a great candidate for dynamically adaptive atmospheric codes; and (iii) the localized diffusion provided by VMS represents an improvement in the accurate solution of multi-physics problems where artificial diffusion may fail. Its application to atmospheric simulations is a novel approach within a field of research that is still open. First, FEM and VMS are described and derived for the solution of stratified low Mach number flows in the context of dry atmospheric dynamics. The validity of the method to simulate stratified flows is assessed using standard two- and three-dimensional benchmarks accepted by NWP practitioners. The problems include thermal and gravity driven simulations. It will be shown that stability is retained in the regimes of interest and a numerical comparison against results from the the literature will be discussed. Second, the ability of VMS to stabilize the FEM solution of advection-dominated problems (i.e. Euler and transport equations) is taken further by the implementation of VMS as a stabilizing tool for high-order spectral elements with advection-diffusion problems. To the author¿s knowledge, this is an original contribution to the literature of high order spectral elements involved with transport in the atmosphere. The problem of monotonicity-preserving high order methods is addressed by combining VMS-stabilized SEM with a discontinuity capturing technique. This is an alternative to classical filters to treat the Gibbs oscillations that characterize high-order schemes. To conclude, a microphysics scheme is implemented within the finite element Euler solver, as a first step toward realistic atmospheric simulations. Kessler microphysics is used to simulate the formation of warm, precipitating clouds. This last part combines the solution of the Euler equations for stratified flows with the solution of a system of transport equations for three classes of water: water vapor, cloud water, and rain. The method is verified using idealized two- and three-dimensional storm simulations.En esta tesis los métodos de elementos finitos y espectrales (FEM - finite element method y SEM- spectral element method, respectivamente), aplicados a los problemas de simulaciones atmosféricas, se exploran a través del método de estabilización conocidocomo Variational Multiscale Stabilization (VMS). Tres razones fundamentales justifican este esfuerzo: (i) la necesidad de tener nuevos métodos de solución de las ecuaciones diferenciales a las derivadas parciales usando máquinas paralelas de gran escala –un entorno en expansión en muchos campos de la mecánica computacional, dentro de la cual la predicción numérica de la dinámica atmosférica (NWP-numerical weather prediction)representa una aplicación importante. Métodos del tipo basado en elementos(por ejemplo, FEM, SEM, Galerkin discontinuo) presentan grandes ventajas en el desarrollo de códigos paralelos; (ii) la flexibilidad intrínseca de tales métodos respecto a lageometría de la malla computacional hace que esos métodos sean los candidatos ideales para códigos atmosféricos con mallas adaptativas; y (iii) la difusión localizada que VMSintroduce representa una mejora en las soluciones de problemas con física compleja en los cuales la difusión artificial clásica no funcionaría. La aplicación de FEM o SEM con VMS a problemas de simulaciones atmosféricas es una estrategia innovadora en un campo de investigación abierto. En primera instancia, FEM y VMS vienen descritos y derivados para la solución de flujos estratificados a bajo número de Mach en el contexto de la dinámica atmosférica. La validez del método para simular flujos estratificados es verificada por medio de test estándar aceptado por la comunidad dentro del campo deNWP. Los test incluyen simulaciones de flujos térmicos con efectos de gravedad. Se demostrará que la estabilidad del método numérico se preserva dentro de los regímenesde interés y se discutirá una comparación numérica de los resultados frente a aquellos hallados en la literatura. En segunda instancia, la capacidad de VMS para estabilizarmétodos FEM en problemas de advección dominante (i.e. ecuaciones de Euler y ecuaciones de transporte) se implementa además en la solución a elementos espectrales de alto orden en problemas de advección-difusión. Hasta donde el autor sabe, esta es una contribución original a la literatura de métodos basados en elementos espectrales en problemas de transporte atmosférico. El problema de monotonicidad con métodos de alto orden es tratado mediante la combinación de SEM+VMS con una técnica de shockcapturing para un mejor tratamiento de las discontinuidades. Esta es una alternativa a los filtros que normalmente se aplican a SEM para eilminar las oscilaciones de Gibbsque caracterizan las soluciones de alto orden. Como último punto, se implementa un esquema de humedad acoplado con el núcleo en elementos finitos; este es un primer paso hacia simulaciones atmosféricas más realistas. La microfísica de Kessler se emplea para simular la formación de nubes y tormentas cálidas (warm clouds: no permite la formación de hielo). Esta última parte combina la solución de las ecuaciones de Eulerpara atmósferas estratificadas con la solución de un sistema de ecuaciones de transporte de tres estados de agua: vapor, nubes y lluvia. La calidad del método es verificadautilizando simulaciones de tormenta en dos y tres dimensiones
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