A numerical treatment of non-linear higher-order geometric evolution equations with the level set and the finite element method is presented. The isotropic, weak anisotropic and strong anisotropic situation is discussed. Most of the equations considered in this work arise from the field of thin film growth. A short introduction to the subject is given. Four different models are discussed: mean curvature flow, surface diffusion, a kinetic model, which combines the effects of mean curvature flow and surface diffusion and includes a further kinetic component, and an adatom model, which incorporates in addition free adatoms. As an introduction to the numerical schemes, first the isotropic and weak anisotropic situation is considered. Then strong anisotropies (non-convex anisotropies) are used to simulate the phenomena of faceting and coarsening. The experimentally observed effect of corner and edge roundings is reached in the simulation through the regularization of the strong anisotropy with a higher-order curvature term. The curvature regularization leads to an increase by two in the order of the equations, which results in highly non-linear equations of up to 6th order. For the numerical solution, the equations are transformed into systems of second order equations, which are solved with a Schur complement approach. The adatom model constitutes a diffusion equation on a moving surface. An operator splitting approach is used for the numerical solution. In difference to other works, which restrict to the isotropic situation, also the anisotropic situation is discussed and solved numerically. Furthermore, a treatment of geometric evolution equations on implicitly given curved surfaces with the level set method is given. In particular, the numerical solution of surface diffusion on curved surfaces is presented. The equations are discretized in space by standard linear finite elements. For the time discretization a semi-implicit discretization scheme is employed. The derivation of the numerical schemes is presented in detail, and numerous computational results are given for the 2D and 3D situation. To keep computational costs low, the finite element grid is adaptively refined near the moving curves and surfaces resp. A redistancing algorithm based on a local Hopf-Lax formula is used. The algorithm has been extended by the authors to the 3D case. A detailed description of the algorithm in 3D is presented in this work. / In der Arbeit geht es um die numerische Behandlung nicht-linearer geometrischer Evolutionsgleichungen höherer Ordnung mit Levelset- und Finite-Elemente-Verfahren. Der isotrope, schwach anisotrope und stark anisotrope Fall wird diskutiert. Die meisten in dieser Arbeit betrachteten Gleichungen entstammen dem Gebiet des Dünnschicht-Wachstums. Eine kurze Einführung in dieses Gebiet wird gegeben. Es werden vier verschiedene Modelle diskutiert: mittlerer Krümmungsfluss, Oberflächendiffusion, ein kinetisches Modell, welches die Effekte des mittleren Krümmungsflusses und der Oberflächendiffusion kombiniert und zusätzlich eine kinetische Komponente beinhaltet, und ein Adatom-Modell, welches außerdem freie Adatome berücksichtigt. Als Einführung in die numerischen Schemata, wird zuerst der isotrope und schwach anisotrope Fall betrachtet. Anschließend werden starke Anisotropien (nicht-konvexe Anisotropien) benutzt, um Facettierungs- und Vergröberungsphänomene zu simulieren. Der in Experimenten beobachtete Effekt der Ecken- und Kanten-Abrundung wird in der Simulation durch die Regularisierung der starken Anisotropie durch einen Krümmungsterm höherer Ordnung erreicht. Die Krümmungsregularisierung führt zu einer Erhöhung der Ordnung der Gleichung um zwei, was hochgradig nicht-lineare Gleichungen von bis zu sechster Ordnung ergibt. Für die numerische Lösung werden die Gleichungen auf Systeme zweiter Ordnungsgleichungen transformiert, welche mit einem Schurkomplement-Ansatz gelöst werden. Das Adatom-Modell bildet eine Diffusionsgleichung auf einer bewegten Fläche. Zur numerischen Lösung wird ein Operatorsplitting-Ansatz verwendet. Im Unterschied zu anderen Arbeiten, die sich auf den isotropen Fall beschränken, wird auch der anisotrope Fall diskutiert und numerisch gelöst. Außerdem werden geometrische Evolutionsgleichungen auf implizit gegebenen gekrümmten Flächen mit Levelset-Verfahren behandelt. Insbesondere wird die numerische Lösung von Oberflächendiffusion auf gekrümmten Flächen dargestellt. Die Gleichungen werden im Ort mit linearen Standard-Finiten-Elementen diskretisiert. Als Zeitdiskretisierung wird ein semi-implizites Diskretisierungsschema verwendet. Die Herleitung der numerischen Schemata wird detailliert dargestellt, und zahlreiche numerische Ergebnisse für den 2D und 3D Fall sind gegeben. Um den Rechenaufwand gering zu halten, wird das Finite-Elemente-Gitter adaptiv an den bewegten Kurven bzw. den bewegten Flächen verfeinert. Es wird ein Redistancing-Algorithmus basierend auf einer lokalen Hopf-Lax Formel benutzt. Der Algorithmus wurde von den Autoren auf den 3D Fall erweitert. In dieser Arbeit wird der Algorithmus für den 3D Fall detailliert beschrieben.

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.

The incompressible Navier-Stokes equations have proven formidable for nearly a century. The present difficulties are mathematical and computational in nature; the computational requirements, in particular, are exponentially exacerbated in the presence of high Reynolds number. The issues are further compounded with the introduction of markers or an immiscible fluid intended to be tracked in an ambient high Reynolds number flow; despite the overwhelming pragmatism of problems in this regime, and increasing computational efficacy, even modest problems remain outside the realm of direct approaches. Herein three approaches are presented which embody direct application to problems of this nature. An LES model based on an entropy-viscosity serves to abet the computational resolution requirements imposed by high Reynolds numbers and a one-stage compressive flux, also utilizing an entropy-viscosity, aids in accurate, efficient, conservative transport, free of low order dispersive error, of an immiscible fluid or tracer. Finally, an integral commutator and the theory of anti-dispersive spaces is introduced as a novel theoretical tool for consistency error analysis; in addition the material engenders the construction of error-correction techniques for mass lumping schemes.

Los derrames cerebrales son una de las causas principales de morbilidad y mortalidad en los países desarrollados. Esto ha motivado una búsqueda de configuraciones del sistema vascular que se cree que están asociadas con el desarrollo de enfermedades vasculares. En la primera contribución se ha mejorado un método de segmentación vascular para lograr robustez en la segmentación de imágenes procedentes de diferentes modalidades y centros clínicos, con una validación exhaustiva. Una vez que el sistema vascular está correctamente segmentado, en la segunda contribución se ha propuesto una metodología para caracterizar ampliamente la geometría de la arteria carótida interna (ACI). Esto ha incluido el desarrollo de un método para identificar automáticamente la ACI a partir del árbol vascular segmentado. Finalmente, en la tercera contribución, esta identificación automática se ha generalizado a una colección de arterias incluyendo su conectividad y sus relaciones topológicas. Finalmente, la identificación de las arterias en un conjunto de individuos puede permitir la comparación geométrica de sus árboles arteriales utilizando la metodología introducida para la caracterización de la ACI. / Stroke is among the leading causes of morbidity and mortality in the developed countries. This motivated a search for the configurations of vasculature that is assumed to be associated with the development of vascular diseases. In the first contribution we improve a vascular segmentation method to achieve robustness in segmenting images coming from different imaging modalities and clinical centers and we provide exhaustive segmentation validation. Once the vasculature is successfully segmented, in the second contribution we propose a methodology to extensively characterize the geometry of the internal carotid artery (ICA). This includes the development of a method to automatically identify the ICA from the segmented vascular tree. Finally in the third contribution, this automatic identification is generalized to a collection of vessels including their connectivity and topological relationships. Identifying the corresponding vessels in a population enables comparison of their geometry using the methodology introduced for the characterization of the ICA.

This doctoral thesis proposes a new algorithm for the reconstruction of impedance images in monitored objects. The algorithm eliminates the spatial resolution problems present in existing reconstruction methods, and, with respect to the monitored objects, it exploits both the partial knowledge of configuration and the material composition. The discussed novel method is designed to recognize certain significant fields of interest, such as material defects or blood clots and tumors in biological images. The actual reconstruction process comprises two phases; while the former stage is focused on industry-related images, with the aim to detect defects in conductive materials, the latter one concentrates on biomedical applications. The thesis also presents a description of the numerical model used to test the algorithm. The testing procedure was centred on the resulting impedivity value, influence of the regularization parameter, initial value of the numerical model impedivity, and effect exerted by noise on the voltage electrodes upon the overall reconstruction results. Another issue analyzed herein is the possibility of reconstructing impedance images from components of the magnetic flux density measured outside the investigated object. The given magnetic field is generated by a current passing through the object. The created algorithm for the reconstruction of impedance images is modeled on the proposed algorithm for EIT-based reconstruction of impedance images from voltage. The algoritm was tested for stability, influence of the regularization parameter, and initial conductivity. From the general perspective, the thesis describes the methodology for both magnetic field measurement via NMR and processing of the obtained data.

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.

A numerical treatment of non-linear higher-order geometric evolution equations with the level set and the finite element method is presented. The isotropic, weak anisotropic and strong anisotropic situation is discussed. Most of the equations considered in this work arise from the field of thin film growth. A short introduction to the subject is given. Four different models are discussed: mean curvature flow, surface diffusion, a kinetic model, which combines the effects of mean curvature flow and surface diffusion and includes a further kinetic component, and an adatom model, which incorporates in addition free adatoms. As an introduction to the numerical schemes, first the isotropic and weak anisotropic situation is considered. Then strong anisotropies (non-convex anisotropies) are used to simulate the phenomena of faceting and coarsening. The experimentally observed effect of corner and edge roundings is reached in the simulation through the regularization of the strong anisotropy with a higher-order curvature term. The curvature regularization leads to an increase by two in the order of the equations, which results in highly non-linear equations of up to 6th order. For the numerical solution, the equations are transformed into systems of second order equations, which are solved with a Schur complement approach. The adatom model constitutes a diffusion equation on a moving surface. An operator splitting approach is used for the numerical solution. In difference to other works, which restrict to the isotropic situation, also the anisotropic situation is discussed and solved numerically. Furthermore, a treatment of geometric evolution equations on implicitly given curved surfaces with the level set method is given. In particular, the numerical solution of surface diffusion on curved surfaces is presented. The equations are discretized in space by standard linear finite elements. For the time discretization a semi-implicit discretization scheme is employed. The derivation of the numerical schemes is presented in detail, and numerous computational results are given for the 2D and 3D situation. To keep computational costs low, the finite element grid is adaptively refined near the moving curves and surfaces resp. A redistancing algorithm based on a local Hopf-Lax formula is used. The algorithm has been extended by the authors to the 3D case. A detailed description of the algorithm in 3D is presented in this work. / In der Arbeit geht es um die numerische Behandlung nicht-linearer geometrischer Evolutionsgleichungen höherer Ordnung mit Levelset- und Finite-Elemente-Verfahren. Der isotrope, schwach anisotrope und stark anisotrope Fall wird diskutiert. Die meisten in dieser Arbeit betrachteten Gleichungen entstammen dem Gebiet des Dünnschicht-Wachstums. Eine kurze Einführung in dieses Gebiet wird gegeben. Es werden vier verschiedene Modelle diskutiert: mittlerer Krümmungsfluss, Oberflächendiffusion, ein kinetisches Modell, welches die Effekte des mittleren Krümmungsflusses und der Oberflächendiffusion kombiniert und zusätzlich eine kinetische Komponente beinhaltet, und ein Adatom-Modell, welches außerdem freie Adatome berücksichtigt. Als Einführung in die numerischen Schemata, wird zuerst der isotrope und schwach anisotrope Fall betrachtet. Anschließend werden starke Anisotropien (nicht-konvexe Anisotropien) benutzt, um Facettierungs- und Vergröberungsphänomene zu simulieren. Der in Experimenten beobachtete Effekt der Ecken- und Kanten-Abrundung wird in der Simulation durch die Regularisierung der starken Anisotropie durch einen Krümmungsterm höherer Ordnung erreicht. Die Krümmungsregularisierung führt zu einer Erhöhung der Ordnung der Gleichung um zwei, was hochgradig nicht-lineare Gleichungen von bis zu sechster Ordnung ergibt. Für die numerische Lösung werden die Gleichungen auf Systeme zweiter Ordnungsgleichungen transformiert, welche mit einem Schurkomplement-Ansatz gelöst werden. Das Adatom-Modell bildet eine Diffusionsgleichung auf einer bewegten Fläche. Zur numerischen Lösung wird ein Operatorsplitting-Ansatz verwendet. Im Unterschied zu anderen Arbeiten, die sich auf den isotropen Fall beschränken, wird auch der anisotrope Fall diskutiert und numerisch gelöst. Außerdem werden geometrische Evolutionsgleichungen auf implizit gegebenen gekrümmten Flächen mit Levelset-Verfahren behandelt. Insbesondere wird die numerische Lösung von Oberflächendiffusion auf gekrümmten Flächen dargestellt. Die Gleichungen werden im Ort mit linearen Standard-Finiten-Elementen diskretisiert. Als Zeitdiskretisierung wird ein semi-implizites Diskretisierungsschema verwendet. Die Herleitung der numerischen Schemata wird detailliert dargestellt, und zahlreiche numerische Ergebnisse für den 2D und 3D Fall sind gegeben. Um den Rechenaufwand gering zu halten, wird das Finite-Elemente-Gitter adaptiv an den bewegten Kurven bzw. den bewegten Flächen verfeinert. Es wird ein Redistancing-Algorithmus basierend auf einer lokalen Hopf-Lax Formel benutzt. Der Algorithmus wurde von den Autoren auf den 3D Fall erweitert. In dieser Arbeit wird der Algorithmus für den 3D Fall detailliert beschrieben.