This thesis is concerned with motion planning for the classical two-phase Stefan problem in level set formulation. The interface separating the fluid phases from the solid phases is represented as the zero level set of a continuous function whose evolution is described by the level set equation. Heat conduction in the two phases is modeled by the heat equation. A quadratic tracking-type cost functional that incorporates temperature tracking terms and a control cost term that expresses the desire to have the interface follow a prescribed trajectory by adjusting the heat flux through part of the boundary of the computational domain. The formal Lagrange approach is used to establish a first-order optimality system by applying shape calculus tools. For the numerical solution, the level set equation and its adjoint are discretized in space by discontinuous Galerkin methods that are combined with suitable explicit Runge-Kutta time stepping schemes, while the temperature and its adjoint are approximated in space by the extended finite element method (which accounts for the weak discontinuity of the temperature by a dynamic local modification of the underlying finite element spaces) combined with the implicit Euler method for the temporal discretization. The curvature of the interface which arises in the adjoint system is discretized by a finite element method as well. The projected gradient method, and, in the absence of control constraints, the limited memory BFGS method are used to solve the arising optimization problems. Several numerical examples highlight the potential of the proposed optimal control approach. In particular, they show that it inherits the geometric flexibility of the level set method. Thus, in addition to unidirectional solidification, closed interfaces and changes of topology can be tracked. Finally, the Moreau-Yosida regularization is applied to transform a state constraint on the position of the interface into a penalty term that is added to the cost functional. The optimality conditions for this penalized optimal control problem and its numerical solution are discussed. An example confirms the efficacy of the state constraint. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Optimalsteuerungsproblem für das klassische Stefan-Problem in zwei Phasen. Die Phasengrenze wird als Niveaulinie einer stetigen Funktion modelliert, was die Lösung der so genannten Level-Set-Gleichung erfordert. Durch Anpassen des Wärmeflusses am Rand des betrachteten Gebiets soll ein gewünschter Verlauf der Phasengrenze angesteuert werden. Zusammen mit dem Wunsch, ein vorgegebenes Temperaturprofil zu approximieren, wird dieses Ziel in einem quadratischen Zielfunktional formuliert. Die notwendigen Optimalitätsbedingungen erster Ordnung werden formal mit Hilfe der entsprechenden Lagrange-Funktion und unter Benutzung von Techniken aus der Formoptimierung hergeleitet. Für die numerische Lösung müssen die auftretenden partiellen Differentialgleichungen diskretisiert werden. Dies geschieht im Falle der Level-Set-Gleichung und ihrer Adjungierten auf Basis von unstetigen Galerkin-Verfahren und expliziten Runge-Kutta-Methoden. Die Wärmeleitungsgleichung und die entsprechende Gleichung im adjungierten System werden mit einer erweiterten Finite-Elemente-Methode im Ort sowie dem impliziten Euler-Verfahren in der Zeit diskretisiert. Dieser Zugang umgeht die aufwändige Adaption des Gitters, die normalerweise bei der FE-Diskretisierung von Phasenübergangsproblemen unvermeidbar ist. Auch die Krümmung der Phasengrenze wird numerisch mit Hilfe der Methode der finiten Elemente angenähert. Zur Lösung der auftretenden Optimierungsprobleme werden ein Gradienten-Projektionsverfahren und, im Fall dass keine Kontrollschranken vorliegen, die BFGS-Methode mit beschränktem Speicherbedarf eingesetzt. Numerische Beispiele beleuchten die Stärken des vorgeschlagenen Zugangs. Es stellt sich insbesondere heraus, dass sich die geometrische Flexibilität der Level-Set-Methode auf den vorgeschlagenen Zugang zur optimalen Steuerung vererbt. Zusätzlich zur gerichteten Bewegung einer flachen Phasengrenze können somit auch geschlossene Phasengrenzen sowie topologische Veränderungen angesteuert werden. Exemplarisch, und zwar an Hand einer Beschränkung an die Lage der Phasengrenze, wird auch noch die Behandlung von Zustandsbeschränkungen mittels der Moreau-Yosida-Regularisierung diskutiert. Ein numerisches Beispiel demonstriert die Wirkung der Zustandsbeschränkung.

Title: Fluid-structure interaction of compressible flow Author: RNDr. Jaroslava Hasnedlová Department: Department of Numerical Mathematics, Institute of Applied Mathematics Supervisors: Prof. RNDr. Miloslav Feistauer, DrSc., Dr. h. c., Prof. Dr. Dr. h. c. Rolf Rannacher Supervisors' e-mail addresses: feist@karlin.mff.cuni.cz, rannacher@iwr.uni-heidelberg.de Abstract: The presented work is split into two parts. The first part is devoted to the theory of the discontinuous Galerkin finite element (DGFE) method for the space-time discretization of a nonstationary convection-diffusion initial-boundary value problem with nonlinear convection and linear diffusion. The DGFE method is applied sep- arately in space and time using, in general, different space grids on different time levels and different polynomial degrees p and q in space and time discretization. The main result is the proof of error estimates in L2 (L2 )-norm and in DG-norm formed by the L2 (H1 )-seminorm and penalty terms. The second part of the thesis deals with the realization of fluid-structure interaction problem of the compressible viscous flow with the elastic structure. The time-dependence of the domain occupied by the fluid is treated by the ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) method, when the compress- ible Navier-Stokes equations are formulated in...

Beaucoup de méthodes numériques ont été développées pour résoudre l'équation de Vlasov, car obtenir des simulations numériques précises en un temps raisonnable pour cette équation est un véritable défi. Cette équation décrit en effet l'évolution de la fonction de distribution de particules (électrons/ions) qui dépend de 3 variables d'espace, 3 variables de vitesse et du temps. L'idée principale de cette thèse est de réécrire l'équation de Vlasov sous forme d'un système hyperbolique par semi-discrétisation en vitesse. Cette semi-discrétisation est effectuée par méthode d'éléments finis. Le modèle ainsi obtenu est appelé équation de Vlasov réduite. Nous proposons différentes méthodes numériques pour résoudre efficacement ce modèle: méthodes des volumes finis, méthodes semi-Lagrangiennes et méthodes Galerkin discontinus. / Many numerical methods have been developed in order to selve the Vlasov equation, because computing precise simulations in a reasonable time is a real challenge. This equation describes the time evolution of the distribution function of charged particles (electrons/ions), which depends on 3 variables in space, 3 in velocity and time. The main idea of this thesis is to rewrite the Vlasov equation in the form of a hyperbolic system using a semi-discretization of the velocity. This semi-discretization is achieved using the finite element method. The resulting model is called the reduced Vlasov equation. We propose different numerical methods to salve this new model efficiently: finite volume methods, semi-Lagrangian methods and discontinuous Galerkin methods.

Problems governed by partial differential equations (PDEs) in deformable domains, t Rd; d = 2; 3; are of fundamental importance in science and engineering. They are of particular relevance in the design of many engineering systems e.g., aircrafts and bridges as well as to the analysis of several biological phenomena e.g., blood ow in arteries. However, developing numerical scheme for such problems is still very challenging even when the deformation of the boundary of domain is prescribed a priori. Possibility of excessive mesh distortion is one of the major challenge when solving such problems with numerical methods using boundary tted meshes. The arbitrary Lagrangian- Eulerian (ALE) approach is a way to overcome this difficulty. Numerical simulations of convection-dominated problems have for long been the subject to many researchers. Galerkin formulations, which yield the best approximations for differential equations with high diffusivity, tend to induce spurious oscillations in the numerical solution of convection dominated equations. Though such spurious oscillations can be avoided by adaptive meshing, which is computationally very expensive on ne grids. Alternatively, stabilization methods can be used to suppress the spurious oscillations. In this work, the considered equation is designed within the framework of ALE formulation. In the first part, Streamline Upwind Petrov-Galerkin (SUPG) finite element method with conservative ALE formulation is proposed. Further, the first order backward Euler and the second order Crank-Nicolson methods are used for the temporal discretization. It is shown that the stability of the semi-discrete (continuous in time) ALE-SUPG equation is independent of the mesh velocity, whereas the stability of the fully discrete problem is unconditionally stable for implicit Euler method and is only conditionally stable for Crank-Nicolson time discretization. Numerical results are presented to support the stability estimates and to show the influence of the SUPG stabilization parameter in a time-dependent domain. In the second part of this work, SUPG stabilization method with non-conservative ALE formulation is proposed. The implicit Euler, Crank-Nicolson and backward difference methods are used for the temporal discretization. At the discrete level in time, the ALE map influences the stability of the corresponding discrete scheme with different time discretizations, and it leads to schemes where conservative and non-conservative formulations are no longer equivalent. The stability of the fully discrete scheme, irrespective of the temporal discretization, is only conditionally stable. It is observed from numerical results that the Crank-Nicolson scheme induces high oscillations in the numerical solution compare to the implicit Euler and the backward difference time discretiza-tions. Moreover, the backward difference scheme is more sensitive to the stabilization parameter k than the other time discretizations. Further, the difference between the solutions obtained with the conservative and non-conservative ALE forms is significant when the deformation of domain is large, whereas it is negligible in domains with small deformation. Finally, the local projection stabilization (LPS) and the higher order dG time stepping scheme are studied for convection dominated problems. The analysis is based on the quadrature formula for approximating the integrals in time. We considered the exact integration in time, which is impractical to implement and the Radau quadrature in time, which can be used in practice. The stability and error estimates are shown for the mathematical basis of considered numerical scheme with both time integration methods. The numerical analysis reveals that the proposed stabilized scheme with exact integration in time is unconditionally stable, whereas Radau quadrature in time is conditionally stable with time-step restriction depending on the ALE map. The theoretical estimates are illustrated with appropriate numerical examples with distinct features. The second order dG(1) time discretization is unconditionally stable while Crank-Nicolson gives the conditional stable estimates only. The convergence order for dG(1) is two which supports the error estimate.

This thesis is concerned with motion planning for the classical two-phase Stefan problem in level set formulation. The interface separating the fluid phases from the solid phases is represented as the zero level set of a continuous function whose evolution is described by the level set equation. Heat conduction in the two phases is modeled by the heat equation. A quadratic tracking-type cost functional that incorporates temperature tracking terms and a control cost term that expresses the desire to have the interface follow a prescribed trajectory by adjusting the heat flux through part of the boundary of the computational domain. The formal Lagrange approach is used to establish a first-order optimality system by applying shape calculus tools. For the numerical solution, the level set equation and its adjoint are discretized in space by discontinuous Galerkin methods that are combined with suitable explicit Runge-Kutta time stepping schemes, while the temperature and its adjoint are approximated in space by the extended finite element method (which accounts for the weak discontinuity of the temperature by a dynamic local modification of the underlying finite element spaces) combined with the implicit Euler method for the temporal discretization. The curvature of the interface which arises in the adjoint system is discretized by a finite element method as well. The projected gradient method, and, in the absence of control constraints, the limited memory BFGS method are used to solve the arising optimization problems. Several numerical examples highlight the potential of the proposed optimal control approach. In particular, they show that it inherits the geometric flexibility of the level set method. Thus, in addition to unidirectional solidification, closed interfaces and changes of topology can be tracked. Finally, the Moreau-Yosida regularization is applied to transform a state constraint on the position of the interface into a penalty term that is added to the cost functional. The optimality conditions for this penalized optimal control problem and its numerical solution are discussed. An example confirms the efficacy of the state constraint. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Optimalsteuerungsproblem für das klassische Stefan-Problem in zwei Phasen. Die Phasengrenze wird als Niveaulinie einer stetigen Funktion modelliert, was die Lösung der so genannten Level-Set-Gleichung erfordert. Durch Anpassen des Wärmeflusses am Rand des betrachteten Gebiets soll ein gewünschter Verlauf der Phasengrenze angesteuert werden. Zusammen mit dem Wunsch, ein vorgegebenes Temperaturprofil zu approximieren, wird dieses Ziel in einem quadratischen Zielfunktional formuliert. Die notwendigen Optimalitätsbedingungen erster Ordnung werden formal mit Hilfe der entsprechenden Lagrange-Funktion und unter Benutzung von Techniken aus der Formoptimierung hergeleitet. Für die numerische Lösung müssen die auftretenden partiellen Differentialgleichungen diskretisiert werden. Dies geschieht im Falle der Level-Set-Gleichung und ihrer Adjungierten auf Basis von unstetigen Galerkin-Verfahren und expliziten Runge-Kutta-Methoden. Die Wärmeleitungsgleichung und die entsprechende Gleichung im adjungierten System werden mit einer erweiterten Finite-Elemente-Methode im Ort sowie dem impliziten Euler-Verfahren in der Zeit diskretisiert. Dieser Zugang umgeht die aufwändige Adaption des Gitters, die normalerweise bei der FE-Diskretisierung von Phasenübergangsproblemen unvermeidbar ist. Auch die Krümmung der Phasengrenze wird numerisch mit Hilfe der Methode der finiten Elemente angenähert. Zur Lösung der auftretenden Optimierungsprobleme werden ein Gradienten-Projektionsverfahren und, im Fall dass keine Kontrollschranken vorliegen, die BFGS-Methode mit beschränktem Speicherbedarf eingesetzt. Numerische Beispiele beleuchten die Stärken des vorgeschlagenen Zugangs. Es stellt sich insbesondere heraus, dass sich die geometrische Flexibilität der Level-Set-Methode auf den vorgeschlagenen Zugang zur optimalen Steuerung vererbt. Zusätzlich zur gerichteten Bewegung einer flachen Phasengrenze können somit auch geschlossene Phasengrenzen sowie topologische Veränderungen angesteuert werden. Exemplarisch, und zwar an Hand einer Beschränkung an die Lage der Phasengrenze, wird auch noch die Behandlung von Zustandsbeschränkungen mittels der Moreau-Yosida-Regularisierung diskutiert. Ein numerisches Beispiel demonstriert die Wirkung der Zustandsbeschränkung.

This thesis is concerned with several issues of a posteriori error estimates for linear problems. In its first part error estimates for the heat conduction equation discretized by the backward Euler method in time and discontinuous Galerkin method in space are derived. In the second part guaranteed and locally efficient error estimates involving algebraic error for Poisson equation discretized by the discontinuous Galerkin method are derived. The technique is based on the flux reconstruction where meshes with hanging nodes and variable polynomial degree are allowed. An adaptive strategy combining both adaptive mesh refinement and stopping criteria for iterative algebraic solvers is proposed. In the last part a numerical method for computing guaranteed lower and upper bounds of principal eigenvalues of symmetric linear elliptic differential operators is presented. 1

Práce je zaměřená na numerickou simulaci dvoufázového proudění. Je studován matematický model a numerická aproximace toku dvou nemísitelných nestlačitelných tekutin. Rozhraní mezi tekutinami je popsáno pomocí pomocí tzv. level set metody. Představena je diskretizace problému v prostoru a v čase. Metoda konečných prvk· se zpětnou Eulerovou metodou je aplikována na Navierovy-Stokesovy rovnice a časoprostorová nespojitá Galerkinova metoda je použita k řešení transportního problému. D·raz je kladen na analýzu chyby nespojité Galerkinovy metody přímek a časoprostorové nespojité Galerkinovy metody pro transportní problém. Jsou prezentovány numerické výsledky. 1

In dieser Arbeit untersuchen wir mehrere Anwendungen von photonischen und plasmonischen Nanostrukturen unter Verwendung zweier verschiedener numerischer Methoden: die Fourier-Moden-Methode (FMM) und ein unstetiges Galerkin-Zeitraumverfahren (discontinuous Galerkin time-domain method, DGTD method). Die Methoden werden für vier verschiedene Anwendungen eingesetzt, die alle eine Materialmodellerweiterung in der Implementierung der Methoden erfordern. Diese Anwendungen beinhalten die Untersuchung von dünnen, freistehenden, periodisch perforierten Goldfilmen. Wir charakterisieren die auftretenden Oberflächenplasmonenpolaritonen durch die Berechnung von Transmissions- und Elektronenenergieverlustspektren, die mit experimentellen Messungen verglichen werden. Dazu stellen wir eine Erweiterung der DGTD-Methode zur Verfügung, die sowohl absorbierende, impedanzangepasste Randschichten als auch Anregung mit geglätteter Ladungsverteilung für materialdurchdringende Elektronenstrahlen beinhaltet. Darüber hinaus wird eine Erweiterung auf nicht-dispersive anisotrope Materialien für eine Formoptimierung einer volldielektrischen magneto-optischen Metaoberfläche verwendet. Diese Optimierung ermöglicht eine verstärkte Faraday-Rotation zusammen mit einer hohen Transmission. Zusätzlich untersuchen wir abstimmbare hyperbolische Metamaterialresonatoren im nahen Infrarot mit Hilfe der FMM. Wir berechnen deren Resonanzen und vergleichen sie mit dem Experiment. Zum Schluss wird die Implementierung eines nichtlinearen Vier-Niveau-System-Materialmodells in der DGTD-Methode verwendet, um die Laserschwellen eines Mikroresonators mit Bragg-Spiegeln zu berechnen. Bei Einführung eines Silbergitters mit variablen Spaltgrößen wird eine defektinduzierte Kontrolle der Laserschwellen ermöglicht. Die Berechnung der vollständigen, zeitaufgelösten Felddynamik innerhalb des Resonator gibt dabei Aufschluss über die beteiligten Lasermoden. / In this thesis, we study several applications of photonic and plasmonic nanostructures by employing two different numerical methods: the Fourier modal method (FMM) and discontinuous Galerkin time-domain (DGTD) method. The methods are used for four different applications, all of which require a material model extension for the implementation of the methods. These applications include the investigation of thin, free-standing periodically perforated gold films. We characterize the emerging surface plasmon polaritons by computing both transmittance and electron energy loss spectra, which are compared to experimental measurements. To this end, we provide an extension of the DGTD method, including absorbing stretched coordinate perfectly matched layers as well as excitations with smoothed charge distribution for material-penetrating electron beams. Furthermore, an extension to non-dispersive anisotropic materials is used for shape optimization of an all-dielectric magneto-optic metasurface. This optimization enables an enhanced Faraday rotation along with high transmittance. Additionally, we study tuneable near-infrared hyperbolic metamaterial cavities with the help of the FMM. We compute the cavity resonances and compare them to the experiment. Finally, the implementation of a non-linear four-level system material model in the DGTD method is used to compute lasing thresholds of a distributed Bragg reflector microcavity. Introducing a silver grating with variable gap sizes allows for a defect-induced lasing threshold control. The computation of the full time-resolved field dynamics of the cavity provides information on the involved lasing modes.

La détermination de la forme d'un obstacle élastique immergé dans un milieu fluide à partir de mesures du champ d'onde diffracté est un problème d'un vif intérêt dans de nombreux domaines tels que le sonar, l'exploration géophysique et l'imagerie médicale. A cause de son caractère non-linéaire et mal posé, ce problème inverse de l'obstacle (IOP) est très difficile à résoudre, particulièrement d'un point de vue numérique. De plus, son étude requiert la compréhension de la théorie du problème de diffraction direct (DP) associé, et la maîtrise des méthodes de résolution correspondantes. Le travail accompli ici se rapporte à l'analyse mathématique et numérique du DP élasto-acoustique et de l'IOP. En particulier, nous avons développé un code de simulation numérique performant pour la propagation des ondes associée à ce type de milieux, basé sur une méthode de type DG qui emploie des éléments finis d'ordre supérieur et des éléments courbes à l'interface afin de mieux représenter l'interaction fluide-structure, et nous l'appliquons à la reconstruction d'objets par la mise en oeuvre d'une méthode de Newton régularisée. / The determination of the shape of an elastic obstacle immersed in water from some measurements of the scattered field is an important problem in many technologies such as sonar, geophysical exploration, and medical imaging. This inverse obstacle problem (IOP) is very difficult to solve, especially from a numerical viewpoint, because of its nonlinear and ill-posed character. Moreover, its investigation requires the understanding of the theory for the associated direct scattering problem (DP), and the mastery of the corresponding numerical solution methods. The work accomplished here pertains to the mathematical and numerical analysis of the elasto-acoustic DP and of the IOP. More specifically, we have developed an efficient numerical simulation code for wave propagation associated to this type of media, based on a DG-type method using higher-order finite elements and curved edges at the interface to better represent the fluid-structure interaction, and we apply it to the reconstruction of objects with the implementation of a regularized Newton method.