A New Fast and Accurate Grid Deformation Method for R-adaptivity in the Context of High Performance Computing

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Logos Verlag Berlin GmbH, 2008 - Mathematics - 158 pages
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Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Realisierung einer neuen Methode zur Gitterdeformation im Hinblick auf die Anwendung in r- und rh-adaptiven Verfahren. Das neu entwickelte Verfahren wird sowohl numerisch als auchtheoretisch analysiert. Die vorliegende Arbeit ist in sechs Kapitel gegliedert.Das erste Kapitel stellt den gegenwartigen Stand der Mathematik auf den Gebieten Fehlerkontrolle und Gittersteuerung dar. Besonderes Augenmerk liegt auf einer ubersicht gangiger Verfahren zur Gitterdeformation, also Methoden zur Neuanordnung der Punkte eines gegebenen Gitters unter Beibehaltung seiner Topologie. Hinzu kommt die Darstellung des Aspekts der hardware-orientierten Numerik. Hier geht es darum, durch ein geeignetes Design der numerischen Verfahren die Leistungsfahigkeit heutiger Computer voll auszuschopfen. Im zweiten Kapitel wird das Basisverfahren zur Gitterdeformation hergeleitet und grundlegende Eigenschaften der Methode bewiesen. Das neue Verfahren wird mit dem Vorlauferverfahren von Liao verglichen, wobei die weitaus grossere Flexibilitat der neuen Methode deutlich wird. Im letzten Teil dieses Kapitels wird die numerische Realisierung der Deformationsmethode mithilfe von FE-Ansatzen thematisiert. Das dritte Kapitel beinhaltet den Kern der Dissertation: Die theoretische und numerische Analyse des im zweiten Kapitel vorgestellten Basisverfahrens. Nach der Formulierung eines geeigneten Konvergenzbegriffes wird die Konvergenz der numerischen Realisierung des Deformationsverfahrens bewiesen. Sowohl der Konvergenzbegriff als auch die Konvergenzaussage sind neu und wurden bisher in der Literatur auch nicht in ahnlicher Weise formuliert. Ausfuhrliche numerische Tests bestatigen die theoretischen Ergebnisse. Das in Kapitel 2 eingefuhrte Basisverfahren wird hinsichtlich Genauigkeit und Robustheit weiterentwickelt. Durch geeignete Ausnutzung der Gitterhierarchie gelingt es mit der sog. Multilevel-Deformation ein Verfahren bereitzustellen, welches von optimaler Komplexitat ist. Im letzten Teil des Kapitels wird diese Multilevel-Deformation auf das L-Gebiet angewandt. Den Schwerpunkt im vierten Kapitel bildet die Anwendung der Gitterdeformation auf die Poisson-Gleichung auf dem L-Gebiet. Der Gradientenfehler wird auf a priori deformierten Gittern betrachtet. Die mit der Gitterdeformation erzeugten Gitter ermoglichen eine fur Q_1-Elemente optimale Konvergenzordnung. Nach einer numerischen Untersuchung des ZZ-Schatzers auf solchen Gittern wird ein voll r-adaptiver Algorithmus formuliert und getestet. Die Gitterdeformation wird nun vollautomatisch durch der geschatzten Fehlerverteilung gesteuert. Die so gewonnenen Ergebnisse sind in ihrer Genauigkeit mit den a priori gewonnen Resultaten vergleichbar. Das funfte Kapitel beinhaltet eine Erweiterung des zuvor eingefuhrten r-adaptiven Verfahrens um regulare Gitterverfeinerung und ihre Anwendung auf die Laplace-Gleichung auf dem L-Gebiet. Es werden zwei rh-adaptive Algorithmen betrachtet. Der zweite Algorithmus verzichtet auf hangende Knoten und erweist sich dem ersten als uberlegen; die Resultate entsprechen in ihrer Genauigkeit etwa den mit reiner r-Adaptivitat gewonnen Werten, erfordern aber eine erheblich geringere Rechenzeit.Im letzten Abschnitt wird die zuvor entwickelte rh-adaptive Methode auf Diffusionsprobleme mit anisotropem Diffusionstensor angewendet, die sich aus Problemen des Grundwasserflusses motivieren. Mithilfe des rh-adaptiven Verfahrens konnen nicht nur der Gradientenfehler, sondern auch abgeleitete Grossen wie der Punktfehler signifikant verringert werden. Hierbei wird die Verteilung des Punktfehlers mithilfe der DWR-Methode ermittelt. Das sechste und letzte Kapitel beinhaltet eine Zusammenfassung der Arbeit und zeigtAnsatzpunkte fur eine Fortentwicklung auf.
 

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Contents

Introduction
1
A new method for grid deformation
17
Theoretical and numerical analysis of the grid deformation algo
35
Application to the Poisson equation
101
h and rhAFEM
119
Conclusions and outlook
145
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