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ParMooN - a modernized program package based on mapped finite elements
{\sc ParMooN} is a program package for the numerical solution of elliptic and
parabolic partial differential equations. It inherits the distinct features of
its predecessor {\sc MooNMD} \cite{JM04}: strict decoupling of geometry and
finite element spaces, implementation of mapped finite elements as their
definition can be found in textbooks, and a geometric multigrid preconditioner
with the option to use different finite element spaces on different levels of
the multigrid hierarchy. After having presented some thoughts about in-house
research codes, this paper focuses on aspects of the parallelization for a
distributed memory environment, which is the main novelty of {\sc ParMooN}.
Numerical studies, performed on compute servers, assess the efficiency of the
parallelized geometric multigrid preconditioner in comparison with some
parallel solvers that are available in the library {\sc PETSc}. The results of
these studies give a first indication whether the cumbersome implementation of
the parallelized geometric multigrid method was worthwhile or not.Comment: partly supported by European Union (EU), Horizon 2020, Marie
Sk{\l}odowska-Curie Innovative Training Networks (ITN-EID), MIMESIS, grant
number 67571
ParMooN - a modernized program package based on mapped finite elements
PARMOON is a program package for the numerical solution of elliptic and
parabolic partial differential equations. It inherits the distinct features
of its predecessor MOONMD [28]: strict decoupling of geometry and finite
element spaces, implementation of mapped finite elements as their definition
can be found in textbooks, and a geometric multigrid preconditioner with the
option to use different finite element spaces on different levels of the
multigrid hierarchy. After having presented some thoughts about in-house
research codes, this paper focuses on aspects of the parallelization, which
is the main novelty of PARMOON. Numerical studies, performed on compute
servers, assess the efficiency of the parallelized geometric multigrid
preconditioner in comparison with parallel solvers that are available in
external libraries. The results of these studies give a first indication
whether the cumbersome implementation of the parallelized geometric multigrid
method was worthwhile or not
Numerische und analytische Aspekte der projektionsbasierten ordnungsreduzierten Modellierung im Rahmen der numerischen Strömungsmechanik
This thesis studies projection-based reduced-order models (ROMs) in the
context of computational fluid dynamics. Proper Orthogonal Decomposition (POD)
is employed to compute the reduced-order basis from snapshots, which are
assumed to represent the finite element solution of a partial differential
equation. All investigations involve either convection-diffusion-reaction
equation or the incompressible Navier-Stokes equations. The main contribution
of the thesis can be divided into three parts. Firstly, a Streamline-Upwind
Petrov-Galerkin reduced-order model (SUPG-ROM) is investigated theoretically
and numerically for convection-dominated convection-diffusion- reaction
equations. Numerical analysis is utilized to propose the scaling of the
stabilization parameter for the SUPG-ROM. Two approaches are used: One based
on the underlying finite element discretization and the other one based on the
POD truncation. The resulting SUPG-ROMs and the standard Galerkin ROM are
studied numerically on several convection-dominated test problems aiming at
answering several questions. One of the choices for the stabilization
parameter is recommended. Secondly, an alternative approach for the
computation of the ROM initial condition is derived for problems, for which
the standard approach, that is usually used in the literature, results in the
ROM initial condition being polluted by spurious oscillations. The principal
idea of the method consists in modifying the conventional ROM initial
condition in a post-processing step by a filtering procedure. Numerical
studies are performed in order to investigate the influence of the filtered
initial condition on the ROM results. With respect to the minimum and maximum
values of the ROM solution, which characterize the under- and overshoots, ROM
results could be partly significantly improved compared to the results
obtained with the standard ROM initial condition. Thirdly, three velocity-
pressure reduced-order models (vp-ROMs) for incompressible flows are
investigated numerically. One method computes the ROM pressure solely based on
the velocity POD modes, whereas the other two ROMs use pressure modes as well.
One of the latter methods denoted by SM-ROM is developed within the framework
of this dissertation. Moreover, the impact of the snapshot accuracy as well as
of utilizing different linearization techniques on the ROM results is
investigated numerically. Based on weakly divergence-free velocity snapshots,
SM-ROM could reproduce the results of the finite element simulations in many
cases better than the other vp-ROMs. Together with the fact that SM-ROM does
not need any specification of additional pressure boundary conditions, which
is required in the other methods, SM-ROM can be considered to be superior to
other vp-ROMs for the computation of the ROM pressure.Diese Dissertation beschäftigt sich mit projektionsbasierten
ordnungsreduzierten Modellen (ROMs) im Rahmen der numerischen
Strömungsmechanik. Proper Orthogonal Decomposition (POD) wird zur Berechnung
der ordnungsreduzierten Basis aus den sogenannten Schnappschüssen eingesetzt.
Es wird angenommen, dass die Schnappschüsse die Finite-Elemente-Lösung einer
partiellen Differentialgleichung darstellen. Der Beitrag der vorliegenden
Dissertation besteht aus drei Teilen. Erstens wird ein Streamline-Upwind
Petrov-Galerkin ordnungsreduziertes Modell, bezeichnet als SUPG-ROM, für
konvektionsdominante Konvektions-Diffusions-Reaktions-Gleichungen sowohl
theoretisch als auch numerisch untersucht. Mittels numerischer Analyse wird
die Skalierung der Stabilisierungsparameter für SUPG-ROMs vorgeschlagen. Dabei
werden zwei Ansätze verwendet: Der eine basiert auf der zugrundeliegenden
Finite-Elemente-Diskretisierung und der andere auf der räumlichen Auflösung im
Zusammenhang mit POD. Die resultierenden SUPG-ROMs und das übliche Galerkin
ROM werden mittels mehrerer konvektionsdominanter Testbeispiele untersucht.
Zweitens wird ein alternativer Ansatz für die Berechnung der ROM-
Anfangsbedingung für Probleme entwickelt, bei welchen der Standard-Ansatz, der
in der Regel in der Literatur verwendet wird, eine durch Störschwingungen
verfälschte Anfangsbedingung erzeugt. Die Grundidee des Verfahrens besteht
darin, die herkömmliche ordnungsreduzierte Anfangsbedingung in einem
Nachbearbeitungsschritt durch ein Filterverfahren zu modifizieren. Der
Einfluss der gefilterten ROM-Anfangsbedingung auf die ROM-Ergebnisse wird
numerisch untersucht. In Bezug auf die Minimal- und Maximalwerte der
ordnungsreduzierten Lösung, die als Maß für Unter- und Überschwingungen
dienen, konnten die ROM-Ergebnisse im Vergleich zu denen mit üblichen ROM-
Anfangsbedingungen zum Teil deutlich verbessert werden. Drittens werden drei
ordnungsreduzierte Modelle für Geschwindigkeit und Druck (vp-ROMs) für
inkompressible Strömungen numerisch untersucht. Eines dieser Verfahren
berechnet den ROM-Druck allein auf der Grundlage der POD-Moden für die
Geschwindigkeit, während die beiden anderen vp-ROMs auch die POD-Basiselemente
für den Druck verwenden. Eine der letztgenannten Methoden, bezeichnet als SM-
ROM, wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Des Weiteren wird die
Auswirkung der Genauigkeit der Schnappschüsse sowie verschiedener
Linearisierungsansätze auf die ROM-Ergebnisse numerisch untersucht. Für die im
schwachen Sinne divergenzfreien Geschwindigkeits-Schnappschüsse konnte SM-ROM
die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulationen in vielen Fällen am besten
approximieren. Unter Berücksichtigung, dass SM-ROM im Gegensatz zu den anderen
vp-ROMs keine Angabe zusätzlicher Druckrandbedingungen benötigt, lässt sich
hieraus ableiten, dass SM-ROM im Vergleich zu den zwei anderen untersuchten
vp-ROMs am besten zur Berechnung des POD-Drucks geeignet ist
SUPG reduced order models for convection-dominated convection–diffusion–reaction equations
This paper presents a Streamline-Upwind Petrov–Galerkin (SUPG) reduced order model (ROM) based on proper orthogonal decomposition (POD). This ROM is investigated theoretically and numerically for convection-dominated convection–diffusion–reaction problems. The SUPG finite element method was used on realistic meshes for computing the snapshots, leading to some noise in the POD data. Numerical analysis is used to propose the scaling of the stabilization parameter for the SUPG-ROM. Two approaches are used: One based on the underlying finite element discretization and the other one based on the POD truncation. The resulting SUPG-ROMs and the standard Galerkin ROM (G-ROM) are studied numerically. For many settings, the results obtained with the SUPG-ROMs are more accurate. Finally, one of the choices for the stabilization parameter is recommended