Entropy Stable Discontinuous Galerkin Schemes on Moving Meshes with Summation-by-Parts Property for Hyperbolic Conservation Laws

We show how to modify the original Bassi and Rebay scheme (BR1)[F. Bassi and S. Rebay, A High Order Accurate Discontinuous Finite Element Method for the Numerical Solution of the Compressible Navier-Stokes Equations, Journal of Computational Physics, 131:267–279, 1997] to get a provably stable discontinuous Galerkin collocation spectral element method (DGSEM) with Gauss-Lobatto (GL) nodes for the compressible Navier-Stokes equations (NSE) on three dimensional curvilinear meshes. Specifically, we show that the BR1 scheme can be provably stable if the metric identities are discretely satisfied, a two-point average for the metric terms is used for the contravariant fluxes in the volume, an entropy conserving split form is used for the advective volume integrals, the auxiliary gradients for the viscous terms are computed from gradients of entropy variables, and the BR1 scheme is used for the interface fluxes. Our analysis shows that even with three dimensional curvilinear grids, the BR1 fluxes do not add artificial dissipation at the interior element faces. Thus, the BR1 interface fluxes preserve the stability of the discretization of the advection terms and we get either energy stability or entropy-stability for the linear or nonlinear compressible NSE, respectively

Arbitrary Lagrangian-Eulerian Discontinous Galerkin-Methode für nichtlineare zeitabhängige partielle Differentialgleichungen erster Ordnung

The present thesis considers the development and analysis of arbitrary Lagrangian-Eulerian discontinuous Galerkin (ALE-DG) methods with time-dependent approximation spaces for conservation laws and the Hamilton-Jacobi equations. Fundamentals about conservation laws, Hamilton-Jacobi equations and discontinuous Galerkin methods are presented. In particular, issues in the development of discontinuous Galerkin (DG) methods for the Hamilton-Jacobi equations are discussed. The development of the ALE-DG methods based on the assumption that the distribution of the grid points is explicitly given for an upcoming time level. This assumption allows to construct a time-dependent local affine linear mapping to a reference cell and a time-dependent finite element test function space. In addition, a version of Reynolds’ transport theorem can be proven. For the fully-discrete ALE-DG method for nonlinear scalar conservation laws the geometric conservation law and a local maximum principle are proven. Furthermore, conditions for slope limiters are stated. These conditions ensure the total variation stability of the method. In addition, entropy stability is discussed. For the corresponding semi-discrete ALE-DG method, error estimates are proven. If a piecewise $\mathcal{P}^{k}$ polynomial approximation space is used on the reference cell, the sub-optimal $\left(k+\frac{1}{2}\right)$ convergence for monotone fuxes and the optimal $(k+1)$ convergence for an upwind flux are proven in the $\mathrm{L}^{2}$-norm. The capability of the method is shown by numerical examples for nonlinear conservation laws. Likewise, for the semi-discrete ALE-DG method for nonlinear Hamilton-Jacobi equations, error estimates are proven. In the one dimensional case the optimal $\left(k+1\right)$ convergence and in the two dimensional case the sub-optimal $\left(k+\frac{1}{2}\right)$ convergence are proven in the $\mathrm{L}^{2}$-norm, if a piecewise $\mathcal{P}^{k}$ polynomial approximation space is used on the reference cell. For the fullydiscrete method, the geometric conservation is proven and for the piecewise constant forward Euler step the convergence of the method to the unique physical relevant solution is discussed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Analyse von arbitrar Lagrangian-Eulerian discontinuous Galerkin (ALE-DG) Methoden mit zeitabhängigen Testfunktionen Räumen für Erhaltungs- und Hamilton-Jacobi Gleichungen. Grundlagen über Erhaltungsgleichungen, Hamilton-Jacobi Gleichungen und discontinuous Galerkin Methoden werden präsentiert. Insbesondere werden Probleme bei der Entwicklung von discontinuous Galerkin Methoden für die Hamilton-Jacobi Gleichungen untersucht. Die Entwicklung der ALE-DG Methode basiert auf der Annahme, dass die Verteilung der Gitterpunkte zu einem kommenden Zeitpunkt explizit gegeben ist. Diese Annahme ermöglicht die Konstruktion einer zeitabhängigen lokal affin-linearen Abbildung auf eine Referenzzelle und eines zeitabhängigen Testfunktionen Raums. Zusätzlich kann eine Version des Reynolds’schen Transportsatzes gezeigt werden. Für die vollständig diskretisierte ALE-DG Methode für nichtlineare Erhaltungsgleichungen werden der geometrischen Erhaltungssatz und ein lokales Maximumprinzip bewiesen. Des Weiteren werden Bedingungen für Limiter angegeben. Diese Bedingungen sichern die Stabilität der Methode im Sinne der totalen Variation. Zusätzlich wird die Entropie-Stabilität der Methode diskutiert. Für die zugehörige semi-diskretisierte ALE-DG Methode werden Fehlerabschätzungen gezeigt. Wenn auf der Referenzzelle ein Testfunktionen Raum, der stückweise Polynome vom Grad $k$ enthält verwendet wird, kann für einen monotonen Fluss die suboptimale Konvergenzordnung $\left(k+\frac{1}{2}\right)$ und für einen upwind Fluss die optimale Konvergenzordnung $\left(k+1\right)$ in der $\mathrm{L}^{2}$-Norm gezeigt werden. Die Leistungsfähigkeit der Methode wird anhand numerischer Beispiele für nichtlineare Erhaltungsgleichungen untersucht. Ebenso werden für die semi-diskretisierte ALE-DG Methode für nichtlineare Hamilton-Jacobi Gleichungen Fehlerabschätzungen gezeigt. Wenn auf der Referenzzelle ein Testfunktionen Raum, der stückweise Polynome vom Grad k enthält verwendet wird, kann im eindimensionalen Fall die optimale Konvergenzordnung $\left(k+1\right)$ und im zweidimensionalen Fall die suboptimale Konvergenzordnung $\left(k+\frac{1}{2}\right)$ in der $\mathrm{L}^{2}$-Norm gezeigt werden. Für die vollständig diskretisierte ALE-DG Methode werden der geometrischen Erhaltungssatz bewiesen und für die stückweise konstante explizite Euler Diskretisierung wird die Konvergenz gegen die eindeutige physikalisch relevante Lösung diskutiert

Entropy Stable Space-Time Discontinuous Galerkin Schemes with Summation-by-Parts Property for Hyperbolic Conservation Laws

This work examines the development of an entropy conservative (for smooth solutions) or entropy stable (for discontinuous solutions) space-time discontinuous Galerkin (DG) method for systems of nonlinear hyperbolic conservation laws. The resulting numerical scheme is fully discrete and provides a bound on the mathematical entropy at any time according to its initial condition and boundary conditions. The crux of the method is that discrete derivative approximations in space and time are summation-by-parts (SBP) operators. This allows the discrete method to mimic results from the continuous entropy analysis and ensures that the complete numerical scheme obeys the second law of thermodynamics. Importantly, the novel method described herein does not assume any exactness of quadrature in the variational forms that naturally arise in the context of DG methods. Typically, the development of entropy stable schemes is done on the semidiscrete level ignoring the temporal dependence. In this work, we demonstrate that creating an entropy stable DG method in time is similar to the spatial discrete entropy analysis, but there are important (and subtle) differences. Therefore, we highlight the temporal entropy analysis throughout this work. For the compressible Euler equations, the preservation of kinetic energy is of interest besides entropy stability. The construction of kinetic energy preserving (KEP) schemes is, again, typically done on the semidiscrete level similar to the construction of entropy stable schemes. We present a generalization of the KEP condition from Jameson to the space-time framework and provide the temporal components for both entropy stability and kinetic energy preservation. The properties of the space-time DG method derived herein are validated through numerical tests for the compressible Euler equations. Additionally, we provide, in appendices, how to construct the temporal entropy stable components for the shallow water or ideal magnetohydrodynamic (MHD) equations