Stable and locally mass- and momentum-conservative control-volume finite-element schemes for the Stokes problem

We introduce new control-volume finite-element discretization schemes suitable for solving the Stokes problem. Within a common framework, we present different approaches for constructing such schemes. The first and most established strategy employs a non-overlapping partitioning into control volumes. The second represents a new idea by splitting into two sets of control volumes, the first set yielding a partition of the domain and the second containing the remaining overlapping control volumes required for stability. The third represents a hybrid approach where finite volumes are combined with finite elements based on a hierarchical splitting of the ansatz space. All approaches are based on typical finite element function spaces but yield locally mass and momentum conservative discretization schemes that can be interpreted as finite volume schemes. We apply all strategies to the inf-sub stable MINI finite-element pair. Various test cases, including convergence tests and the numerical observation of the boundedness of the number of preconditioned Krylov solver iterations, as well as more complex scenarios of flow around obstacles or through a three-dimensional vessel bifurcation, demonstrate the stability and robustness of the schemes

Vergleich von Schlaf EEG und kognitiver Leistungsfähigkeit bei Patienten mit idiopathischem Parkinsonsyndrom, Multisystematrophie und REM-Schlaf Verhaltensstörung

Die Krankheiten idiopathisches Parkinsonsyndrom (IPS), Multisystematrophie (MSA) und die REM-Schlaf Verhaltensstörung (RBD) werden neben ihrer pathognomonischen Symptomatik von Schlaf- und Gedächtnisstörungen begleitet. Die RBD ist dabei einerseits als isolierte Erkrankung mit vorwiegender Symptomatik im Bereich des Schlafverhaltens zu sehen. Darüber hinaus wird sie einerseits als Vorstufe eines sich später entwickelnden IPS oder einer MSA angesehen, andererseits kann sie auch einen Teil der Symptomatik der beiden Erkrankungen ausmachen (s. Kap. II.3.2.2 und II.3.3.2). Polysomnographische Daten zeigen bei allen Patientengruppen eine Störung der Schlafkontinuität (IPS und MSA > RBD), wie auch das Auftreten von periodischen Beinbewegungen im Schlaf (PLMS). Dazu wird für MSA-Patienten eine Reduktion des REM-Schlafs beschrieben. Aufgrund der wenigen vorliegenden Studien sind die Befunde zu Schlafarchitekturstörungen bei den Erkrankungen IPS und RBD nicht eindeutig. Kognitive Störungen in Form von exekutiven Störungen werden v.a. für MSA und IPS berichtet, weniger aber für RBD. Bei Patienten mit IPS werden zudem Einschränkungen des Arbeitsgedächtnisses und des deklarativen Gedächtnisses beschrieben, bei MSA-Patienten Störungen des Arbeitsgedächtnisses und der Aufmerksamkeitsfunktionen, nicht aber des deklarativen Gedächtnisses und der Visuokonstruktion. Für diese beiden Bereiche (Visuokonstruktion und deklaratives Gedächtnis) liegen jedoch Befunde vor, die eine Störung bei RBD-Patienten beschreiben, jedoch geringere Störungen des Arbeitsgedächtnisses und der Aufmerksamkeitsfunktionen. Diese Befunde liefern Hinweise darauf, dass sich die drei Krankheitsgruppen anhand einiger Charakteristika des Schlafs und der Kognition unterscheiden. Eine Problematik der bisher vorliegenden Befunde ist, dass die Untersuchungen meist an relativ kleinen Patientengruppen mit bereits längerer (in den Studien unterschiedlicher) Erkrankungsdauer vorgenommen wurden und entweder eine Patientengruppe mit gesunden Kontrollpersonen oder mit einer anderen, nicht aber gleichzeitig alle drei Patientengruppen in einem Studiendesign verglichen wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde nun versucht, den Schlaf mittels Polysomnographie wie auch das kognitive Leistungsprofil mit einer umfassenden und strikt kontrollierten neuropsychologischen Abklärung bei diesen drei Patientengruppen im Rahmen einer Studie zu vergleichen. Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Studien wurde versucht, Patienten der drei Krankheitsgruppen, IPS, MSA und RBD in einem sehr frühen Krankheitsverlauf, d.h. bereits kurz nach der Diagnosestellung zu erfassen. Zudem wurde in der vorliegenden Arbeit der Frage nachgegangen, ob zwischen den Parametern des Schlaf-EEGs und der detailliert erhobenen kognitiven Leistungsfähigkeit bei diesen Patientengruppen – analog zu den Ergebnissen gesunder Probanden und depressiver Patienten – ein Zusammenhang besteht. Im Rahmen des Gruppenvergleichs ergab die - entsprechend der ersten Fragestellung (Unterschiede in der kognitiven Leistungsfähigkeit) der Studie - durchgeführte Analyse (ANOVA, Kruskal-Wallis Test), dass sich die Patientengruppen in einzelnen Parametern der kognitiven Leistungsfähigkeit unterscheiden, wobei sich v.a. ein Unterschied zwischen Patienten mit MSA sowie Patienten mit IPS und RBD zeigt. Die Unterschiede betreffen v.a. die deklarative Gedächtnisleistung und die exekutiven Funktionen. Diskrete Unterschiede finden sich auch zwischen Patienten mit IPS und RBD (v.a. „Zahlenfolge rückwärts“ sowie „tonische und phasische Aufmerksamkeit“). Diese Befunde deuten darauf hin, dass im Bereich der kognitiven Leistungsfähigkeit bereits in einem sehr frühen Krankheitsstadium Unterschiede zwischen den Krankheitsgruppen sichtbar werden. Weitere Unterschiede zwischen IPS und RBD, die in anderen Studien mit z.T. deutlich längeren Erkrankungsdauern berichtet wurden, konnten bei den hier erhobenen Daten nicht beobachtet werden. Dies deutet daraufhin, dass sich Unterschiede in kognitiven Variablen zwischen IPS und RBD vermutlich erst mit zunehmender Erkrankungsdauer ergeben und damit eine Verlaufssensitivität zeigen könnten. Auch für die zweite Fragestellung bezüglich der Parameter der Polysomnographie konnten Unterschiede erhoben werden, die auch hier v.a. Unterschiede zwischen Patienten mit MSA auf der einen und Patienten mit IPS und RBD auf der anderen Seite zeigen. Dies betrifft insbesondere die Variablen der Schlafkontinuität, den REM-Schlaf sowie einzelne Parameter der schlafbezogenen Atemstörungen. Letztlich konnten auch Zusammenhänge zwischen einzelnen Variablen der Polysomnographie und Parametern der kognitiven Leistungsfähigkeit gefunden werden, die v.a. einen relativ homogenen Zusammenhang zwischen Schlafkontinuität und sprachlichen wie auch exekutiven Funktionen aufweisen. Zudem zeigten sich auch Korrelationen zwischen Parametern des NREM-, aber auch des REM-Schlafs und einzelnen Parametern der kognitiven Leistungsmessung. So ergaben sich positive Korrelation zwischen der Leistung in den exekutiven Funktionen und dem NREM1-Schlaf sowie der REM-Latenz mit der tonischen Aufmerksamkeit. Der in der Literatur gesehene Zusammenhang zwischen der deklarativen Gedächtnisleistung und dem NREM-Schlaf konnte in unserer Studie – wahrscheinlich aufgrund der niedrigen Fallzahlen – nicht dargestellt werden. Unter Berücksichtigung der Limitationen dieser Arbeit, wie z.B. die geringe Gruppengröße und der Tatsache, dass es sich um eine Querschnitts- und keine Längsschnittuntersuchung handelt, liefert die vorliegende Arbeit neue Erkenntnisse über das Auftreten von Störungen der kognitiven Leistungsfähigkeit und des Schlafs bei diesen Patientengruppen. Dabei zeigen einzelne Parameter auch Zusammenhänge zwischen den beiden Bereichen, wodurch sich die Möglichkeit ergeben könnte, durch die Regulierung der Schlafstörung die kognitive Leistungsfähigkeit wie auch das damit zusammenhängende Gesamtbefinden zu stabilisieren, ggf. sogar zu verbessern. Inwieweit die in dieser Arbeit bereits zu einem frühen Zeitpunkt der jeweiligen Erkrankung gefundenen Unterschiede zwischen den Patientengruppen prädiktiv für den Verlauf der drei Erkrankungen, insbesondere das Auftreten einer demenziellen Symptomatik, ggf. einer Lewy Körper-Demenz sind, muss im Rahmen von Langzeitstudien untersucht werden

Rigorous Impact Evaluation: Evidence generation and take-up in German Development Cooperation

This report presents the findings of a BMZ-funded research project on rigorous impact evaluation (RIE) in German development cooperation (GDC). The research project examined the status quo of RIE, relevant barriers and potential measures to increase both the initiation of RIEs and the take-up of (rigorous) evidence

Application-oriented ping-pong benchmarking: how to assess the real communication overheads

Moving data between processes has often been discussed as one of the major bottlenecks in parallel computing—there is a large body of research, striving to improve communication latency and bandwidth on different networks, measured with ping-pong benchmarks of different message sizes. In practice, the data to be communicated generally originates from application data structures and needs to be serialized before communicating it over serial network channels. This serialization is often done by explicitly copying the data to communication buffers. The message passing interface (MPI) standard defines derived datatypes to allow zero-copy formulations of non-contiguous data access patterns. However, many applications still choose to implement manual pack/unpack loops, partly because they are more efficient than some MPI implementations. MPI implementers on the other hand do not have good benchmarks that represent important application access patterns. We demonstrate that the data serialization can consume up to 80% of the total communication overhead for important applications. This indicates that most of the current research on optimizing serial network transfer times may be targeted at the smaller fraction of the communication overhead. To support the scientific community, we extracted the send/recv-buffer access patterns of a representative set of scientific applications to build a benchmark that includes serialization and communication of application data and thus reflects all communication overheads. This can be used like traditional ping-pong benchmarks to determine the holistic communication latency and bandwidth as observed by an application. It supports serialization loops in C and Fortran as well as MPI datatypes for representative application access patterns. Our benchmark, consisting of seven micro-applications, unveils significant performance discrepancies between the MPI datatype implementations of state of the art MPI implementations. Our micro-applications aim to provide a standard benchmark for MPI datatype implementations to guide optimizations similarly to the established benchmarks SPEC CPU and Livermore Loops

Origin of isotopic diversity among carbonaceous chondrites

Carbonaceous chondrites are some of the most primitive meteorites and derive from planetesimals that formed a few million years after the beginning of the solar system. Here, using new and previously published Cr, Ti, and Te isotopic data, we show that carbonaceous chondrites exhibit correlated isotopic variations that can be accounted for by mixing among three major constituents having distinct isotopic compositions, namely refractory inclusions, chondrules, and CI chondrite-like matrix. The abundances of refractory inclusions and chondrules are coupled and systematically decrease with increasing amount of matrix. We propose that these correlated abundance variations reflect trapping of chondrule precursors, including refractory inclusions, in a pressure maximum in the disk, which is likely related to the water ice line and the ultimate formation location of Jupiter. The variable abundance of refractory inclusions/chondrules relative to matrix is the result of their distinct aerodynamical properties resulting in differential delivery rates and their preferential incorporation into chondrite parent bodies during the streaming instability, consistent with the early formation of matrix-poor and the later accretion of matrix-rich carbonaceous chondrites. Our results suggest that chondrules formed locally from isotopically heterogeneous dust aggregates which themselves derive from a wide area of the disk, implying that dust enrichment in a pressure trap was an important step to facilitate the accretion of carbonaceous chondrite parent bodies or, more generally, planetesimals in the outer solar system.Comment: 12 pages, 4 figures, 1 table. Accepted for publication in ApJ