High-order methods for computational fluid dynamics

2010/2011In the past two decades, the growing interest in the study of fluid flows involving discontinuities, such as shocks or high gradients, where a quadratic-convergent method may not provide a satisfactory solution, gave a notable impulse to the employment of high-order techniques. The present dissertation comprises the analysis and numerical testing of two high-order methods. The first one, belonging to the discontinuous finite-element class, is the discontinuous control-volume/finite-element method (DCVFEM) for the advection/ diffusion equation. The second method refers to the high-order finite-difference class, and is the mixed weighted non-oscillatory scheme (MWCS) for the solution of the compressible Euler equations. The methods are described from a formal point of view, a Fourier analysis is used to assess the dispersion and dissipation errors, and numerical simulations are conducted to confirm the theoretical results.XXIV Ciclo198

Implicit large eddy simulation of weakly-compressible turbulent channel flow

This paper concerns the accuracy of several high-resolution and high-order finite volume schemes in Implicit Large Eddy Simulation of weakly-compressible turbulent channel flow. The main objective is to investigate the properties of numerical schemes, originally designed for compressible flows, in low Mach compressible, near-wall turbulent flows. Variants of the Monotone Upstream-centred Scheme for Conservation Laws and Weighted Essentially Non-Oscillatory schemes for orders of accuracy ranging from second to ninth order, as well as with and without low Mach corrections, have been investigated. The performance of the schemes has been assessed against incompressible Direct Numerical Simulations. Detailed comparisons of the velocity profiles, turbulent shear stresses and higher-order turbulent statistics reveal that the low Mach correction can significantly reduce the numerical dissipation of the methods in low Mach boundary layer flows. The effects of the low Mach correction have more profound impact on second and third-order schemes, but they also improve the accuracy of fifth order schemes. The ninth-order Weighted Essentially Non-Oscillatory scheme is the least dissipative scheme and it is shown that the implementation of the low Mach correction in conjunction with this scheme has a significant anti-dissipative effect that adversely affects the accuracy. Finally, the computational cost required for obtaining the improved accuracy using increasingly higher order schemes is also discussed

Numerical methods for parabolic equations

Bei der Beschreibung physikalischer Systeme tritt die Diffusionslgeichung häufig auf. Aufgrund der Komplexität dieser Systeme ist es meistens nicht möglich sie analytisch zu lösen, weshalb numerische Verfahren angewendet werden müssen. Abhängig von dem Problem ist es wichtig, effiziente Algorithmen zu entwickeln, um die Rechenzeit in einem vertretbaren Rahmen zu halten. Traditionelle Methoden, wie etwa der Vorwärts Euler Algorithmus, die ublicherweise für das Lösen der Diffusionsgleichung verwendet werden, schränken bekanntlich die Zeitschrittweite sehr stark ein, so dass sie in diesem Sinn als unbrauchbar gelten müssen. In dieser Diplomarbeit wird eine neue Klasse von Methoden, genannt Smoothed Essentially Non-Oscillatory (SENO), konstruiert, welche diese Grenzen signifikant erweitern. Bevor dieser Algorithmus zusammen mit den dazu notwendigen numerischen Methoden eingeführt wird, wird die Diffusionsgleichung eingehend untersucht. Dazu werden mehrere analytische Eigenschaften der Gleichung und ihrer Lösungen aufgeführt. Mehrere Beweise für den Spezialfall der eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung illustrieren diese charakteristischen Eigenschaften. Die Grundidee für die SENO Methoden ist die Diffusionsgleichung als Erhaltungssatz zu sehen um darauf Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) Methoden anzuwenden, die die örtliche Diskretisierung berechnen. Zusätzliche Verbesserungen werden durch das Lösen eines Spline Approximations Problems auf Basis der Methode der kleinsten Quadrate erzielt, was ein Glätten der Lösung bewirkt. Ein zusätzlicher konditionierungs Schritt, bestehend aus einer gewichteten Mittelung ähnlich der der exakten Lösung, verschafft eine zusätzliche Verbesserung. Außerdem ist es vorteilhaft gewisse analytische Eigenschaften der Lösung miteinzubeziehen. Für die Zeitintegration wird ein Runge–Kutta Verfahren zweiter Ordnung verwendet, welches unter dem Namen Heun’s Methode bekannt ist. Um die Effizienz des neuen Algorithmus zu demonstrieren werden mehrere Simulationen in einer und zwei Raumdimensionen gezeigt und analysiert. Ein Teil der Simulationen zeigt die komplette Evolution des Algorithmus anhand zweier speziell ausgewählter Anfangsbedingungen in 2D. Diese werden außerdem herangezogen um die Optimalität gewisser Parameter zu zeigen, welche für die SENO Methoden verwendet werden. Zusätzliche Simulationen werden abschließend benutzt um mögliche Richtungen zukünftiger Forschung aufzuzeigen.The diffusion equation shows up in the description of a multitude of physical systems. Due to their complexity most of them cannot be solved analytically and thus numerical methods have to be employed. Depending on the problem the computation time can be several weeks resulting in the need for efficient algorithms. The traditional methods, e.g. the Forward Time Central Space algorithm, for solving the diffusion equation are well known for their strict time-stepping restrictions. In this thesis a new class of methods, named Smoothed Essentially Non-Oscillatory (SENO) schemes, will be implemented. By means of numerical simulations it will be shown that these restrictions are surpassed considerably. Before giving specific information about the SENO algorithm and the numerical methods involved the diffusion equation is examined in detail. For this several analytical properties of the equation and its solutions are discussed and illustrative proofs are given for the special case of the one dimensional heat equation. The main idea of the SENO methods is to treat the diffusion equation as a conservation law. This leads to the possibility of using Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) methods to calculate the spatial discretization. Further enhancements are obtained by a least squares spline approximation which provides a smoothing effect. The most significant feature is that the smoothing only takes place inside the truncation error interval which can be calculated analytically. An additional preconditioning step that consists of a weighted average, similar to the one used for the exact solution, provides even more improvements. Furthermore it is advantageous to incorporate certain analytical properties of the solution into the numerical method. The time integration will be performed by a second order Runge–Kutta algorithm commonly known as Heun’s method. To demonstrate the effectiveness of the algorithm several simulations in one and two dimensions will be shown and analyzed. Included is a complete series of simulations that illustrate the evolution of the algorithm. Two representative initial conditions in 2D are utilized for this series. They are also used for showing the optimality of certain parameters of the SENO method. Additional simulations are conducted to point out possible directions of future research

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume

SPICA:revealing the hearts of galaxies and forming planetary systems : approach and US contributions

How did the diversity of galaxies we see in the modern Universe come to be? When and where did stars within them forge the heavy elements that give rise to the complex chemistry of life? How do planetary systems, the Universe's home for life, emerge from interstellar material? Answering these questions requires techniques that penetrate dust to reveal the detailed contents and processes in obscured regions. The ESA-JAXA Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) mission is designed for this, with a focus on sensitive spectroscopy in the 12 to 230 micron range. SPICA offers massive sensitivity improvements with its 2.5-meter primary mirror actively cooled to below 8 K. SPICA one of 3 candidates for the ESA's Cosmic Visions M5 mission, and JAXA has is committed to their portion of the collaboration. ESA will provide the silicon-carbide telescope, science instrument assembly, satellite integration and testing, and the spacecraft bus. JAXA will provide the passive and active cooling system (supporting the

The Apertif Surveys:The First Six Months

Apertif is a new phased-array feed for the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT), greatly increasing its field of view and turning it into a natural survey instrument. In July 2019, the Apertif legacy surveys commenced; these are a time-domain survey and a two-tiered imaging survey, with a shallow and medium-deep component. The time-domain survey searches for new (millisecond) pulsars and fast radio bursts (FRBs). The imaging surveys provide neutral hydrogen (HI), radio continuum and polarization data products. With a bandwidth of 300 MHz, Apertif can detect HI out to a redshift of 0.26. The key science goals to be accomplished by Apertif include localization of FRBs (including real-time public alerts), the role of environment and interaction on galaxy properties and gas removal, finding the smallest galaxies, connecting cold gas to AGN, understanding the faint radio population, and studying magnetic fields in galaxies. After a proprietary period, survey data products will be publicly available through the Apertif Long Term Archive (ALTA, https://alta.astron.nl). I will review the progress of the surveys and present the first results from the Apertif surveys, including highlighting the currently available public data