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A Spectral Discontinuous Galerkin method for incompressible flow with Applications to turbulence

Piatkowski, Stephan-Marian

[thumbnail of Piatkowski_Dissertation.pdf] PDF, Englisch - Hauptdokument
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Abstract

In this thesis we develop a numerical solution method for the instationary incompressible Navier-Stokes equations. The approach is based on projection methods for discretization in time and a higher order discontinuous Galerkin discretization in space. We propose an upwind scheme for the convective term that chooses the direction of flux across cell interfaces by the mean value of the velocity and has favorable properties in the context of DG. We present new variants of solenoidal projection operators in the Helmholtz decomposition which are indeed discrete projection operators. The discretization is accomplished on quadrilateral or hexahedral meshes where sum-factorization in tensor product finite elements can be exploited. Sum-factorization significantly reduces algorithmic complexity during assembling. In this thesis we thereby build efficient scalable matrix-free solvers and preconditioners to tackle the arising subproblems in the discretization. Conservation properties of the numerical method are demonstrated for both problems with exact solution and turbulent flows. Finally, the presented DG solver enables long time stable direct numerical simulations of the Navier-Stokes equations. As an application we perform computations on a model of the atmospheric boundary layer and demonstrate the existence of surface renewal.

Übersetzung des Abstracts (Deutsch)

In der vorliegenden Arbeit wird eine numerische Methode zur Lösung der instationären inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen entwickelt. Die Methode basiert in der Zeitdiskretisierung auf Projektionsverfahren und verwendet in der Ortsdiskretisierung ein DG-Verfahren höherer Ordnung. Ein Upwinding des Konvektionsterms wird vorgeschlagen, welches die Richtung des Flusses über die Gitterelemente durch den Mittelwert der Geschwindigkeit wählt und im Zusammenhang mit DG-Verfahren vorteilhaft ist. Neue Klassen von divergenzfreien Projektionsoperatoren in der Helmholtz-Zerlegung werden vorgestellt, welche tatsächlich diskrete Projektionsoperatoren sind. Die Diskretisierung geschieht auf Vierecksgittern oder Hexaedergittern, auf denen die Tensorproduktstruktur in Finiten Elementen für Summenfaktorisierung ausgenutzt werden kann. Summenfaktorisierung reduziert die algorithmische Komplexität im Assemblierungsprozess wesentlich. Damit werden im Rahmen dieser Arbeit effiziente, skalierbare matrixfreie Löser und Vorkonditionierer entwickelt, welche die Teilprobleme innerhalb der Diskretisierung lösen. Erhaltungseigenschaften des numerischen Verfahrens werden sowohl für Probleme mit exakter Lösung als auch für turbulente Strömungen demonstriert. Schließlich ermöglicht der vorgestellte DG-basierte Löser langzeitstabile direkte numerische Simulationen der Navier-Stokes Gleichungen. Eine Anwendung ist die Berechnung eines Modells für die Grenzschicht von Boden und Atmosphäre, welche das Vorhandensein der Oberflächenerneuerungstheorie zeigt.

Dokumententyp: Dissertation
Erstgutachter: Bastian, Prof. Dr. Peter
Tag der Prüfung: 17 Juni 2019
Erstellungsdatum: 11 Jul. 2019 12:00
Erscheinungsjahr: 2019
Institute/Einrichtungen: Fakultät für Mathematik und Informatik > Dekanat der Fakultät für Mathematik und Informatik
Zentrale und Sonstige Einrichtungen > Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR)
Zentrale und Sonstige Einrichtungen > Graduiertenschulen > Graduiertenschule Wissenschaftliches Rechnen
DDC-Sachgruppe: 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik
510 Mathematik
530 Physik
Freie Schlagwörter: Applied Mathematics, Numerical Simulation, Navier-Stokes Equations, Environmental Sciences
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