Magister Scientiae - MSc / This thesis deals with the design and implementation of some novel numerical methods for non-linear singular pertubations problems (NSPPs). It provide a survey of asymptotic and numerical methods for some NSPPs in the past decade. By considering two test problems, rigorous asymptotic analysis is carried out. Based on this analysis, suitable numerical methods are designed, analyzed and implemented in order to have some relevant results of physical importance. Since the asymptotic analysis provides only qualitative information, the focus is more on the numerical analysis of the problem which provides the quantitative information. / South Africa

Une grande part des muqueuses à l’intérieur du corps humain sont recouvertes de cils qui, par leurs mouvements coordonnés, conduisent à une circulation de la couche de fluide nappant la muqueuse. Dans le cas de la paroi interne des bronches, ce processus permet l’évacuation des impuretés inspirées à l’extérieur de l’appareil respiratoire.Dans cette thèse, nous nous intéressons aux effets du ou des cils sur le fluide, en nous plaçant à l’échelle du cil, et on considère pour cela les équations de Stokes incompressible. Due à la finesse du cil, une simulation directe demanderait un raffinement important du maillage au voisinage du cil, pour un maillage qui évoluerait à chaque pas de temps. Cette approche étant trop onéreuse en terme de coûts de calculs, nous avons considéré l’asymptotique d’un diamètre du cil tendant vers 0 et d’une vitesse qui tend vers l’infini : le cil est modélisé par un Dirac linéique de forces en terme source. Nous avons montré qu’il était possible de remplacer ce Dirac linéique par une somme de Dirac ponctuels distribués le long du cil. Ainsi, nous nous sommes ramenés, par linéarité, à étudier le problème de Stokes avec en terme source une force ponctuelle. Si les calculs sont ainsi simplifiés (et leurs coûts réduits), le problème final est lui plus singulier, ce qui motive une analyse numérique fine et l’élaboration d’une nouvelle méthode de résolution.Nous avons d’abord étudié une version scalaire de ce problème : le problème de Poisson avec une masse de Dirac en second membre. La solution exacte étant singulière, la solution éléments finis est à définir avec précaution. La convergence de la méthode étant dégradée dans ce cas-là, par rapport à celle dans le cas régulier, nous nous sommes intéressés à des estimations locales. Nous avons démontré une convergence quasi-optimale en norme Hs (s ě 1) sur un sous-domaine qui exclut la singularité. Des résultats analogues ont été obtenus dans le cas du problème de Stokes.Pour palier les problèmes liés à une mauvais convergence sur l’ensemble du domaine, nous avons élaboré une méthode pour résoudre des problème elliptiques avec une masse de Dirac ou une force ponctuelle en terme source. Basée sur celle des éléments finis standard, elle s’appuie sur la connaissance explicite de la singularité de la solution exacte. Une fois données la position de chacun des cils et leur paramétrisation, notre méthode rend possible la simulation directe en 3d d’un très grand nombre de cils. Nous l’avons donc appliquée au cas du transport mucociliaire dans les poumons. Cet outil numérique nous donne accès à des informations que l’on ne peut avoir par l’expérience, et permet de simuler des cas pathologiques comme par exemple une distribution éparse des cils. / Numerous mucous membranes inside the human body are covered with cilia which, by their coordinated movements, lead to a circulation of the layer of fluid coating the mucous membrane, which allows, for example, in the case of the internal wall of the bronchi, the evacuation of the impurities inspired outside the respiratory system.In this thesis, we integrate the effects of the cilia on the fluid, at the scale of the cilium. For this, we consider the incompressible Stokes equations. Due to the very small thickness of the cilia, the direct computation would request a time-varying mesh grading around the cilia. To avoid too prohibitive computational costs, we consider the asymptotic of a zero diameter cilium with an infinite velocity: the cilium is modelled by a lineic Dirac of force in source term. In order to ease the computations, the lineic Dirac of forces can be approached by a sum of punctual Dirac masses distributed along the cilium. Thus, by linearity, we have switched our initial problem with the Stokes problem with a punctual force in source term. Thus, we simplify the computations, but the final problem is more singular than the initial problem. The loss of regularity involves a deeper numerical analysis and the development of a new method to solve the problem.We have first studied a scalar version of this problem: Poisson problem with a Dirac right-hand side. The exact solution is singular, therefore the finite element solution has to be defined with caution. In this case, the convergence is not as good as in the regular case, and thus we focused on local error estimates. We have proved a quasi-optimal convergence in H1-norm (s ď 1) on a sub-domain which does not contain the singularity. Similar results have been shown for the Stokes problem too.In order to recover an optimal convergence on the whole domain, we have developped a numerical method to solve elliptic problems with a Dirac mass or a punctual force in source term. It is based on the standard finite element method and the explicit knowl- edge of the singularity of the exact solution. Given the positions of the cilia and their parametrisations, this method permits to compute in 3d a very high number of cilia. We have applied this to the study of the mucociliary transport in the lung. This numerical tool gives us information we do not have with the experimentations and pathologies can be computed and studied by this way, like for example a small number of cilia.

This paper is concerned with the anisotropic singular behaviour of the solution of elliptic boundary value problems near edges. The paper deals first with the description of the analytic properties of the solution in newly defined, anisotropically weighted Sobolev spaces. The finite element method with anisotropic, graded meshes and piecewise linear shape functions is then investigated for such problems; the schemes exhibit optimal convergence rates with decreasing mesh size. For the proof, new local interpolation error estimates in anisotropically weighted spaces are derived. Moreover, it is shown that the condition number of the stiffness matrix is not affected by the mesh grading. Finally, a numerical experiment is described, that shows a good agreement of the calculated approximation orders with the theoretically predicted ones.

In this paper, several modifications of the quasi-interpolation operator of Scott and Zhang (Math. Comp. 54(1990)190, 483--493) are discussed. The modified operators are defined for non-smooth functions and are suited for the application on anisotropic meshes. The anisotropy of the elements is reflected in the local stability and approximation error estimates. As an application, an example is considered where anisotropic finite element meshes are appropriate, namely the Poisson problem in domains with edges.

Title: Estimation of the algebraic error and stopping criteria in numerical solution of partial differential equations Author: Jan Papež Department: Department of Numerical Mathematics Supervisor of the master thesis: Zdeněk Strakoš Abstract: After introduction of the model problem and its properties we describe the Conjugate Gradient Method (CG). We present the estimates of the energy norm of the error and a heuristic for the adaptive refinement of the estimate. The difference in the local behaviour of the discretization and the algebraic error is illustrated by numerical experiments using the given model problem. A posteriori estimates for the discretization and the total error that take into account the inexact solution of the algebraic system are then discussed. In order to get a useful perspective, we briefly recall the multigrid method. Then the Cascadic Conjugate Gradient Method of Deuflhard (CCG) is presented. Using the estimates for the error presented in the preceding parts of the thesis, the new stopping criteria for CCG are proposed. The CCG method with the new stopping criteria is then tested. Keywords: numerical PDE, discretization error, algebraic error, error es- timates, locality of the error, adaptivity

We present the notions of uniform distribution and discrepancy of sequences contained in the unit interval, as well as an important application of discrepancy in numerical integration by way of the quasi-Monte Carlo method. Some fundamental (and other interesting) results with regards to these notions are presented, along with some detalied and instructive examples and comparisons (some of which not often provided by the literature). We go on to analytical and numerical investigations of the asymptotic behaviour of the discrepancy (in particular for the van der Corput-sequence), and for the general error estimates of the quasi-Monte Carlo method. Using the discoveries from these investigations, we give a conditional proof of the van der Corput theorem. Furthermore, we illustrate that by using low discrepancy sequences (such as the vdC-sequence), a rather fast convergence rate of the quasi-Monte Carlo method may still be achieved, even for situations in which the famous theoretical result, the Koksma inequality, hasbeen rendered unusable. / Vi presenterar begreppen likformig distribution och diskrepans hos talföljder på enhetsintervallet, såväl som en viktig tillämpning av diskrepans inom numerisk integration via kvasi-Monte Carlo metoden. Några fundamentala (och andra intressanta) resultat presenteras med avseende på dessa begrepp, tillsammans med några detaljerade och instruktiva exempel och jämförelser (varav några sällan presenterade i litteraturen). Vi går vidare med analytiska och numeriska undersökningar av det asymptotiska beteendet hos diskrepansen (särskilt för van der Corput-följden), såväl som för den allmänna feluppskattningen hos kvasi-Monte Carlo metoden. Utifrån upptäckterna från dessa undersökningar ger vi ett villkorligt bevis av van der Corput's sats, samt illustrerar att man genom att använda lågdiskrepanstalföljder (som van der Corput-följden) fortfarande kan uppnå tämligen snabb konvergenshastighet för kvasi-Monte Carlo metoden. Detta även för situationer där de kända teoretiska resultatet, Koksma's olikhet, är oandvändbart.

<div>On rectangular meshes, the simplest spectral element method for elliptic equations is the classical Lagrangian <i>Q</i>^k finite element method with only (<i>k</i>+1)-point Gauss-Lobatto quadrature, which can also be regarded as a finite difference scheme on all Gauss-Lobatto points. We prove that this finite difference scheme is (<i>k</i> + 2)-th order accurate for <i>k</i> ≥ 2, whereas <i>Q</i>^<i>k</i> spectral element method is usually considered as a (<i>k</i> + 1)-th order accurate scheme in <i>L²</i>-norm. This result can be extended to linear wave, parabolic and linear Schrödinger equations.</div><div><br></div><div><div>Additionally, the <i>Q^k</i> finite element method for elliptic problems can also be viewed as a finite difference scheme on all Gauss-Lobatto points if the variable coefficients are replaced by their piecewise <i>Q^k </i>Lagrange interpolants at the Gauss Lobatto points in each rectangular cell, which is also proven to be (<i>k</i> + 2)-th order accurate.</div></div><div><br></div><div><div>Moreover, the monotonicity and discrete maximum principle can be proven for the fourth order accurate Q2 scheme for solving a variable coefficient Poisson equation, which is the first monotone and high order accurate scheme for a variable coefficient elliptic operator.</div></div><div><br></div><div><div>Last but not the least, we proved that certain high order accurate compact finite difference methods for convection diffusion problems satisfy weak monotonicity. Then a simple limiter can be designed to enforce the bound-preserving property when solving convection diffusion equations without losing conservation and high order accuracy.</div><div><br></div></div>

>Magister Scientiae - MSc / This thesis deals with the design and implementation of some novel numerical methods for nonlinear singular perturbations problems (NSPPs). We provide a survey of asymptotic and numerical methods for some NSPPs in past decade. By considering two test problems, rigorous asymptotic analysis is carried out. Based on this analysis, suitable numerical methods are designed, analyzed and implemented in order to have some relevant results of physical importance. Since the asymptotic analysis provides only qualitative information, the focus is more on the numerical analysis of the problem which provides the quantitative information.

Das Thema dieser Dissertation ist die Herleitung und numerische Analyse von finiten Elementen für ein Problem in der Elastoplastizität mit Kontaktbedingungen. Die hergeleiteten finite Elemente Verfahren basieren auf einer Formulierung als Sattelpunktproblem und der Nutzung von Polynomen höherer Ordnung. Die Analyse der vorgestellten Verfahren beginnt mit dem Zeigen der Wohldefiniertheit und der Konvergenz. Im nächsten Schritt werden a priori Abschätzungen der Konvergenzraten gezeigt. Weiterhin führt die Einführung von Lagrange Multiplikatoren zu einem einheitlichen Ansatz zur a posteriori Abschätzung des Diskretisierungfehlers unter der Verwendung von Elementen höherer Ordnung. Zusätzlich ermöglicht es der Zugang über Lagrange Multiplikatoren die Äquivalenz der Diskretisierungsfehler in den Spannungen und in den Energien für finite Elemente niederer Ordnung zu zeigen, was insbesondere neu für Viereckselemente ist. Diese Äquivalenz wiederum erlaubt nun den Beweis der Konvergenz von adaptiven finiten Elementen niederer Ordnung. Für Dreieckselemente wird sogar die optimale Konvergenz bewiesen. Die theoretischen Erkenntnisse werden durch numerische Experimente bestätigt. / The topic of this thesis is the derivation and analysis of some finite element schemes for a contact problem in elastoplasticity. These schemes are based on the formulation of the models as saddle point problems and use finite element spaces of arbitrary polynomial degrees. In this thesis, these new approaches with higher-order finite elements are shown to be well defined and convergent. Moreover, some a~priori estimates on the rates of convergences are proven. The use of Lagrange multipliers in the saddle point formulation yields a coherent approach to reliable a~posteriori error estimates for the proposed higher-order schemes. Additionally, the Lagrange multipliers are used to show the equivalence of the errors of the stresses and the energies, for low order finite elements using triangular or quadrilateral cells. For the first time, this allows for a proof of convergence for quadrilateral-based adaptive finite elements. Furthermore, the approach based on triangular cells is shown to be of optimal convergence. The theoretical findings are confirmed by numerical experiments.

La compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques mis en jeu lors de la mise en forme des matériaux est généralement réalisée avec l’aide de simulations numériques. Ces simulations montrent leurs limites pour les procédés qui conduisent à de très grandes déformations de la matière. Dans ce cas, de très fortes distorsions du maillage se produisent pendant le calcul, entrainant une augmentation de l’erreur, voire l’arrêt prématuré de la simulation. Cette étude porte sur le développement d’une stratégie de remaillage adaptative afin d’éviter les distorsions des éléments pendant les simulations en grandes transformations. La méthode proposée a été intégrée dans un environnement de calcul utilisant le solveur ABAQUS/Explicit, un mailleur 3D et un algorithme de transfert de champ.La méthode h-adaptative en combinaison avec un critère de contrôle basé sur l’endommagement et un estimateur d’erreur de type Zienkiewicz-Zhu Z2 (SPR-amélioré) ont été implantés. Le maillage initial est remplacé par un nouveau maillage avec le niveau de qualité désiré par l’utilisateur, tout en minimisant le nombre des degrés de liberté. Cette technique s’est montrée robuste et entièrement automatique pour déterminer la taille optimale des nouveaux éléments. Une fois le nouveau maillage généré, toutes les variables doivent être soigneusement transférées. Plusieurs techniques de transfert sont décrites et comparées. Des améliorations permettant d’augmenter leurs efficacités en termes de diffusion de l’information et de stabilité numérique ont été proposées. Une attention particulière est portée à la restauration de l'équilibre mécanique local du système. Les différentes techniques développées ont permis de modéliser différents procédés entrainant de grandes déformations élastoplastiques avec endommagement. Dans toutes les applications testées, il a été montré une amélioration de la précision et de la qualité des résultats numériques obtenus. Pour des opérations d’usinage, des mesures de champs cinématiques à travers la technique de corrélation d’images ont été réalisées afin de déterminer les champs de déformation en pointe d’outil. Ces mesures ont servi à la validation de la simulation numérique à l’échelle locale. La comparaison des champs cinématiques expérimentaux avec ceux issus du calcul éléments finis met en évidence la robustesse du processus d’adaptation du maillage proposée pour retranscrire les phénomènes locaux observés expérimentalement. En effet, la reproduction de l’écoulement de la matière sur les bords et la géométrie du copeau sont en très bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. Ce développement a permis de proposer une description nouvelle du processus de formation des bandes de cisaillement. / In this work, a fully automated adaptive remeshing strategy, based on a tetrahedral element to simulate various 3D metal forming processes, was proposed. The aim of this work is to solve problems associated with the severe mesh distortion that occurs during the computation and which may be incompatible with the evolution of the physical behavior of the FE solution. Indeed, the quality of the mesh conditions affects the accuracy of the calculations. The proposed strategy is integrated in a computational platform which integrates a finite element solver (Abaqus/Explicit), 3D mesh generation and a field transfer algorithm.The base idea is to use the h-adaptive methodology in the combination with a damage-criterion error and Zienkiewicz-Zhu Z2 type error estimator (SPR-improved) to locally control the mesh modification-as-needed. Once a new mesh is generated, all history-dependent variables need to be carefully transferred between subsequent meshes. Therefore, different transfer techniques are described and compared. An important part of this work concerns the presentation of the proposed modification of the field transfer operator and a special attention is given to restore the local mechanical equilibrium of the system. During the large elasto-plastic deformation simulation with damage, the necessary steps for remeshing the mechanical structure are presented. The several types of applications are also given. For all studied applications, the above strategy can improve the accuracy and quality of numerical results. It also has benefits to decide how refined a mesh needs to be to reach a particular level of accuracy, or how coarse the mesh can be without unacceptably impacting solution accuracy.For the machining processes, kinematic field measurements using Digital image Correlation were performed to validate the numerical simulation at the local level. The comparison of the experimental kinematic fields and those resulting from the FE calculation highlights the robustness of the proposed mesh adaptation process which can transcribe the experimental local phenomena. Also, the reproduction of the material flow at the edges and the chip are correlated with the experimental results accurately. Finally, the physical study of the numerical results can be allowed to propose an innovative description of ASB formation.