Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces. / O atrito em mancais hidrodinâmicos é uma fonte importante de perdas em motores de combustão ([69]). As condições extremas de carga induzem contato entre as superfícies dos mancais. Em tais condições não somente a macro-geometria do mancal é relevante, mas também são as escalas menores da superfície as que determinam o desempenho do mancal. A possibilidade de fabricar superfícies com detalhes na escala do micrometro ([57]) deixou em aberto a questão de se o atrito pode ser reduzido por meio de micro-texturas, até agora com resultados mistos. Este trabalho centra-se no desenvolvimento de métodos numéricos eficientes para resolver problemas de lubrificação na escala da rugosidade das superfícies. Devido às altas velocidades e a forma convergente-divergente dos mancais hidrodinâmicos o fluido cavita. Para tratar o fenômeno de cavitação empregamos o modelo de Elrod-Adams, um modelo conservativo que tem demonstrado em cuidadosos testes numéricos ([12]) e experimentais ([119]) ser essencial para obter resultados físicos significativos. Outro aspecto revelante do modelado é que os efeitos inerciais do mancal são considerados, o que é necessário para simular corretamente texturas em movimento. Como aplicação, os efeitos de micro-texturizar a superfície móvel do mancal foram estudados. Valores realistas são assumidos nos parâmetros físicos que definem o problema. Foram realizados extensivos estudos no regime de lubrificação hidrodinâmica. Também foram executadas simulações convergidas em malha, levando em conta a topografia real de superfícies medidas, e as hipóteses de lubrificação para superfícies rugosas foram avaliadas.

O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

Este trabalho consiste na análise do comportamento do método WAMG (Wavelet-Based Algebraic Multigrid), método numérico de resolução de sistemas de equações lineares desenvolvido no LMAG-Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado, com relação a diversos suavizadores. O fato dos vetores que compõem os operadores matriciais Pronlongamento e Restrição do método WAMG serem ortonormais viabiliza uma série de análises teóricas e de dados experimentais, permitindo visualizar características não permitidas nos outros métodos Multigrid (MG), englobando o Multigrid Geométrico (GMG) e o Multigrid Algébrico (AMG). O método WAMG V-Cycle com Filtro Haar é testado em uma variedade de sistemas de equações lineares variando o suavizador, o coeficiente de relaxação nos suavizadores Damped Jacobi e Sobre Relaxação Sucessiva (SOR), e a configuração de pré e pós-suavização. Entre os suavizadores testados, estão os métodos iterativos estacionários Damped Jacobi, SOR, Esparsa Aproximada a Inversa tipo Diagonal (SPAI-0) e métodos propostos com a característica de suavização para-otimizada. A título de comparação, métodos iterativos não estacionários são testados também como suavizadores como Gradientes Conjugados, Gradientes Bi-Conjugados e ICCG. Os resultados dos testes são apresentados e comentados. / This work is comprised of WAMG (Wavelet-Based Algebraic Multigrid) method behavioral analysis based on variety of smoothers, numerical method based on linear equation systems resolution developed at LMAG (Applied Electromagnetism Laboratory). Based on the fact that the vectors represented by WAMG Prolongation and Restriction matrix operators are orthonormals allows the use of a variety of theoretical and practical analysis, and therefore gain visibility of characteristics not feasible through others Multigrid (MG) methods, such as Geometric Multigrid (GMG) and Algebraic Multigrid (AMG). WAMG V-Cycle method with Haar Filter is tested under a variety of linear equation systems, by varying smoothers, relaxation coefficient at Damped Jacobi and Successive Over Relaxation (SOR) smoothers, and pre and post smoothers configurations. The tested smoothers are stationary iterative methods such as Damped Jacobi, SOR, Diagonal type-Sparse Approximate Inverse (SPAI-0) and suggested ones with optimized smoothing characteristic. For comparison purposes, the Conjugate Gradients, Bi-Conjugate Gradient and ICCG non-stationary iterative methods are also tested as smoothers. The testing results are formally presented and commented.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The mathematical modeling of multiphase flows involves the interaction between deformable and moving geometries with the fluid in which they are dispersed (immersed). This kind of interaction is present in many practical applications. A common approach to handle these problems is the so called Front-Tracking/Front-Capturing Hybrid Methods. This methodology consists in separating the problem into two domains: an eulerian domain, which is kept fixed and is used to discretize the fluid equations of both phases, and a lagrangian domain, which is used to solve the equations of motion of the interface. Since there is no geometric dependence between these two domains, the method can easily handle moving and deformable interfaces that are dispersed in the flow. Following this line of research, the present work aims to capture accurately details of such flows by resolving adequately the relevant physical scales in time and in space. This can be achieved by applying locally refined meshes which adapt dynamically to cover special flow regions, e.g. the vicinity of the fluid-fluid interfaces. To obtain the required resolution in time, a semi-implicit second order discretization to solve the Navier-Stokes equations is used. The turbulence modeling is introduced in the present work through Large Eddy Simulation. The eficiency and robustness of the methodology applied are verified via convergence analysis, as well as with simulations of one-phase and two-phase flows for several Reynolds numbers. The results of two-phase flows, with one bubble and with multiple bubbles, are presented. The results obtained for a single bubble case are compared with Clift's shape diagram (Clift et al., 1978). / A modelagem matemática de escoamentos multifásicos envolve a interação de geometrias móveis e deformáveis com o meio fluido que as envolve. Este tipo de interação faz parte de uma extensa lista de aplicações. Uma linha proposta para o tratamento num érico deste tipo de problema são os métodos híbridos Front-Tracking/Front-Capturing. Esta abordagem leva à separação do problema em dois domínios distintos (líquido/gás e líquido/líquido), um domínio fixo, euleriano, utilizado para discretizar as equações de ambas as fases, e outro móvel, lagrangiano, usado para as interfaces. Para o presente trabalho, na metologia utilizada, ambos os domínios são geometricamente independentes e não apresentam restrição quanto ao movimento e à deformação da fase dispersa. Seguindo esta linha, no presente trabalho propõe-se capturar detalhes deste de tipo escoamento, resolvendo adequadamente as escalas físicas do tempo e do espaço, utilizando malhas bloco estruturada refinadas localmente, as quais se adaptam dinamicamente para recobrir as regiões de interesse do escoamento (como, por exemplo, ao redor da interface fluido-fluido). Para se obter a resolução necessária no tempo, é usada uma discretização semi-implícita de segunda ordem para solucionar as equações de Navier-Stokes. A modelagem da turbulência é introduzida no presente trabalho via Simulação de Grandes Escalas. A eficiência e a robustez da metodologia implementada são verificadas via análise de convergência do método, bem como a simulação de escoamentos monofásicos e bifásicos para diferentes números Reynolds. São também apresentados resultados para escoamentos bifásicos com uma só bolha assim como para múltiplas bolhas. Os resultados de escoamentos mono-bolhas são comparados com o diagrama de forma de Clift et al. (1978). / Doutor em Engenharia Mecânica

Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces. / O atrito em mancais hidrodinâmicos é uma fonte importante de perdas em motores de combustão ([69]). As condições extremas de carga induzem contato entre as superfícies dos mancais. Em tais condições não somente a macro-geometria do mancal é relevante, mas também são as escalas menores da superfície as que determinam o desempenho do mancal. A possibilidade de fabricar superfícies com detalhes na escala do micrometro ([57]) deixou em aberto a questão de se o atrito pode ser reduzido por meio de micro-texturas, até agora com resultados mistos. Este trabalho centra-se no desenvolvimento de métodos numéricos eficientes para resolver problemas de lubrificação na escala da rugosidade das superfícies. Devido às altas velocidades e a forma convergente-divergente dos mancais hidrodinâmicos o fluido cavita. Para tratar o fenômeno de cavitação empregamos o modelo de Elrod-Adams, um modelo conservativo que tem demonstrado em cuidadosos testes numéricos ([12]) e experimentais ([119]) ser essencial para obter resultados físicos significativos. Outro aspecto revelante do modelado é que os efeitos inerciais do mancal são considerados, o que é necessário para simular corretamente texturas em movimento. Como aplicação, os efeitos de micro-texturizar a superfície móvel do mancal foram estudados. Valores realistas são assumidos nos parâmetros físicos que definem o problema. Foram realizados extensivos estudos no regime de lubrificação hidrodinâmica. Também foram executadas simulações convergidas em malha, levando em conta a topografia real de superfícies medidas, e as hipóteses de lubrificação para superfícies rugosas foram avaliadas.

Desde o importante trabalho de Barth e Frederickson (1990), um certo número de pesquisadores têm estudado o método de Volumes Finitos de alta-ordem k-exato, por exemplo o grupo do Prof. Ollivier-Gooch: Ollivier-Gooch e van Altena (2002), Nejat (2007), Michalak (2009), etc. Outras discretizações espaciais de alta-ordem bastante populares são o método Galerkin Descontínuo e o método de Diferença Espectral; processos iterativos que involucram estes esquemas tem sido acelerados, nos últimos anos, por métodos p-multigrid. Porém, esta aceleração não tem sido aplicada no contexto do método de Volumes Finitos de alta-ordem, pelo menos para conhecimento do autor desta tese. Por isso, o objetivo desta pesquisa é adaptar o p-multigrid desenvolvido por Liang et al. (2009b) no contexto da Diferença Espectral, para o ambiente dos Volumes Finitos estudado pelo Prof. Ollivier-Gooch. A pesquisa começa implementando o solver VF-RK, de Volumes Finitos com avanço Runge-Kutta, para resolver as equações de advecção-difusão e de Euler aplicados a problemas estacionários, por exemplo, o escoamento transônico ao redor do NACA 0012. Depois, estuda-se o método p-multigrid no contexto da Diferença Espectral; o p-multigrid acelera o processo iterativo comutando níveis polinomiais de alta e de baixa-ordem. Após esse estudo, a adaptação ao âmbito dos Volumes Finitos é realizada resultando num p-multigrid relativamente mais simples porque, em contraposição com o p-multigrid para Diferença Espectral, não precisa de operadores de restrição e prolongação para a comunicação entre diferentes níveis polinomiais. A pesquisa conclui com uma comparação com o método de Volumes Finitos de 4a ordem sem p-multigrid (solver VF-RK). Nesse sentido, implementa-se o solver pMG, baseado no p-multigrid proposto, para resolver os problemas estacionários considerados na primeira parte do trabalho; o smoother do p-multigrid é o esquema Runge-Kutta do código VF-RK, e cada problema estacionário é resolvido utilizando diferentes Vciclos procurando sempre soluções de 4a ordem. Os resultados indicam que o método p-multigrid proposto é mais eficiente que o método de Volumes Finitos de 4a ordem sem p-multigrid, isto é, os dois métodos oferecem a mesma precisão mas o primeiro pode levar menos de 50% do tempo de CPU do segundo. / Since Barth and Frederickson\'s important work (Barth e Frederickson, 1990), a number of researchers have studied high-order k-exact Finite Volume method, for example Prof. Ollivier-Gooch\'s group: Ollivier-Gooch e van Altena (2002), Nejat (2007), Michalak (2009), etc. Other quite popular high-order spatial discretizations are the Discontinuous Galerkin methods and the Spectral Difference methods; the iterative processes involving these schemes have been accelerated in recent years by p-multigrid methods. However, this acceleration has not been applied in the context of the high-order Finite Volume method, at least for the knowledge of the author of this thesis. Therefore, the objective of this research is to adapt the p-multigrid developed by Liang et al. (2009b) in the context of Spectral Difference methods, to the environment of Finite Volume studied by Prof. Ollivier-Gooch. This research begins by implementing the solver VF-RK, Finite Volume solver with Runge-Kutta advance, to compute the advection-diffusion equation and Euler equations applied to steady state problems, for example, the transonic flow around NACA 0012. Then, it is studied the p-multigrid method in the context of Spectral Difference schemes; p-multigrid accelerates the iterative process by switching polynomial levels of high- and low-order. After this study, the adaptation to the context of the Finite Volume scheme is performed resulting in a relatively simple p-multigrid because, in contrast to the p-multigrid for Spectral Difference schemes, it doesn\'t need restriction and prolongation operators for communication between different polynomial levels. The research concludes with a comparison with 4th order Finite Volume method without p-multigrid (solver VF-RK). Accordingly, the solver pMG, based on the proposed p-multigrid, is implemented to resolve the steady state problems considered in the first part of the work; the p-multigrid smoother is the Runge-Kutta scheme from VF-RK code, and each steady state problem is solved using different Vcycles, looking for 4th order solutions ever. The results indicate that the proposed p-multigrid method is more efficient than the 4th order Finite Volume method without p-multigrid: the two methods give the same accuracy but the first one can take less than 50% of second one\'s CPU time.

O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

O foco principal do presente trabalho é estender uma metodologia numérica embasada no uso de uma técnica de refinamento adaptativo de malha (AMR - Adaptive Mesh Refinement) e no uso de esquemas temporais multipasso implícitos-explícitos (IMEX) a aplicações envolvendo escoamentos reativos com baixo número de Mach. Originalmente desenvolvida para escoamentos incompressíveis, a formulação euleriana daquela metodologia emprega as equações de Navier-Stokes como modelo matemático para descrever a dinâmica do escoamento e o Método da Projeção, baseado no divergente nulo da velocidade do escoamento, para tratar o acoplamento pressão-velocidade presente na formulação com variáveis primitivas. Tal formulação euleriana original é estendida para acomodar novas equações agregadas ao modelo matemático da fase contínua: conservação de massa, fração de mistura (para representar as concentrações de combustível e oxidante), e energia. Além disso, uma equação termodinâmica de estado é integrada ao modelo matemático estendido e é empregada juntamente com a equação de conservação de massa para produzir uma nova restrição (não nula desta vez) ao divergente do campo de velocidade. Assume-se que o escoamento ocorre a baixo número de Mach (hipótese principal). O Método de Diferença Finita é empregado na discretização espacial das variáveis eulerianas de estado, empregando-se uma malha AMR. As vantagens e dificuldades desta extensão são cuidadosamente investigadas e reportadas. Pela importância, do ponto de vista de aplicações práticas, alguns estudos numéricos preliminares envolvendo escoamentos incompressíveis turbulentos com sprays são realizados (as gotículas compõem a fase dispersa). Num primeiro momento, apenas sprays com gotículas inertes são considerados. Embora ainda apenas iniciais, tais estudos já se mostram importantes pois identificam com clareza, em primeira instância, algumas das dificuldades inerentes a serem enfrentadas ao se tratar dentro desta nova metodologia um conjunto relativamente grande de gotículas lagrangianas. No caso de escoamentos incompressíveis turbulentos com sprays, a integração temporal se dá com métodos IMEX para a fase contínua e com o Método de Euler Modificado para a fase dispersa. A turbulência, em todos os casos que a envolvem, é tratada pelo modelo de Simulação das Grandes Escalas (LES - Large Eddy Simulation). As simulações computacionais se dão em um domínio tridimensional, um parelelepípedo, e empregam uma extensão (resultante do presente trabalho) do código AMR3D, um programa de computador sequencial implementado em Fortran90, oriundo de uma colaboração de longa data entre o IME-USP e o MFLab/FEMEC-UFU (Laboratório de Dinâmica de Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia). O processamento foi efetuado no LabMAP (Laboratório da Matemática Aplicada do IME-USP). / It is the main goal of the present work to extend a numerical methodology based on both the use of an adaptive mesh refinement technique (AMR) and the use of a multistep, implicit-explicit time-step strategy (IMEX) to applications involving low Mach number reactive flows. Originally developed for incompressible flows, the Eulerian formulation of that methodology employs the Navier-Stokes equations to model the flow dynamics and the Projection Method, based on the vanishing divergence of the velocity field, to tackle the pressure-velocity coupling present when using primitive variables. That Eulerian formulation is extended by adding a new set of equations to the original mathematical model, describing the various properties of the continuous phase: mass conservation, mixture fraction (to represent concentrations of fuel and oxidizer) and energy. Also, a thermodynamic equation of state is included into the extended mathematical model which is employed, along with the equation for the conservation of mass, to derive a new restriction (this time, different from zero) to the divergence of the velocity field. It is assumed that one is dealing with a low Mach number flow (the main hipothesis). The discretization in space employs the Finite Difference Method for the Eulerian variables on a AMR mesh. Advantages and difficulties of such an extension of the previous methodology are carefully investigated and reported. For its importance in the real-world applications, few preliminary numerical studies involving incompressible turbulent flows with sprays are performed (the droplets form what it is called the dispersed phase). Only sprays formed by inert droplets are considered. Even though initial yet, such studies are most important because they clearly identify, first hand, certain difficulties in handling relatively large sets of Lagrangian droplets in the context of this new AMR methodology. In the context of turbulent incompressible flows with sprays, the overall time-step scheme is given by IMEX methods for the continuous phase and by the Improved Euler Method for the dispersed phase. In all the cases in which it is considered, turbulence is modeled by the Large Eddy Simulation (LES) model. The computational simulations are held in a tridimensional domain given by a paralellepiped and all of them employ the extention (resulting of the present work) of the AMR3D code, a sequencial computer program implemented in Fortran90, whose origin is the collaborative work between IMEUSP and MFLab/FEMEC-UFU (Fluid Dynamics Laboratory, Federal University of Uberlândia). Computations were performed at LabMAP (Applied Mathematics Laboratory at IME-USP).

Nuclear reactor design requires the calculation of integral core parameters and power and radiation profiles. These physical parameters are obtained by the solution of the linear neutron transport equation over the geometry of the reactor. In order to represent the fine structure of the nuclear core a very small geometrical mesh size should be used, but the computational capacity available these days is still not enough to solve these transport problems in the time range (hours-days) that would make the method useful as a design tool. This problem is traditionally solved by the solution of simple, smaller problems in specific parts of the core and then use a procedure known as homogenization to create average material properties and solve the full problem with a wider mesh size. The iterative multi-level solution procedure is inspired in this multi-stage approach, solving the problem at fuel-pin (cell) level, fuel assembly and nodal levels. The nested geometrical structure of the finite element representation of a reactor can be used to create a set of restriction/prolongation operators to connect the solution in the different levels. The procedure is to iterate between the levels, solving for the error in the coarse level using as source the restricted residual of the solution in the finer level. This way, the complete problem is only solved in the coarsest level and in the other levels only a pair of restriction/interpolation operations and a relaxation is required. In this work, a multigrid solver is developed for the in-moment equation of the spherical harmonics, finite element formulation of the second order transport equation. This solver is implemented as a subroutine in the code EVENT. Numerical tests are provided as a standalone diffusion solver and as part of a block Jacobi transport solver.

Geometric Multigrid (GMG) methods are widely used in numerical analysis to accelerate the convergence of partial differential equations solvers using a hierarchy of grid discretizations. These solvers find plenty of applications in various fields in engineering and scientific domains, where solving PDEs is of fundamental importance. Using multigrid methods, the pace at which the solvers arrive at the solution can be improved at an algorithmic level. With the advance in modern computer architecture, solving problems with higher complexity and sizes is feasible - this is also the case with multigrid methods. However, since hardware support alone cannot achieve high performance in execution time, there is a need for good software that help programmers in doing so. Multiple grid sizes and recursive expression of multigrid cycles make the task of manual program optimization tedious and error-prone. A high-level language that aids domain experts to quickly express complex algorithms in a compact way using dedicated constructs for multigrid methods and with good optimization support is thus valuable. Typical computation patterns in a GMG algorithm includes stencils, point-wise accesses, restriction and interpolation of a grid. These computations can be optimized for performance on modern architectures using standard parallelization and locality enhancement techniques. Several past works have addressed the problem of automatic optimizations of computations in various scientific domains using a domain-specific language (DSL) approach. A DSL is a language with features to express domain-specific computations and compiler support to enable optimizations specific to these computations. Halide and PolyMage are two of the recent works in this direction, that aim to optimize image processing pipelines. Many computations like upsampling and downsampling an image are similar to interpolation and restriction in geometric multigrid methods. In this thesis, we demonstrate how high performance can be achieved on GMG algorithms written in the PolyMage domain-specific language with new optimizations we added to the compiler. We also discuss the implementation of non-trivial optimizations, on PolyMage compiler, necessary to achieve high parallel performance for multigrid methods on modern architectures. We realize these goals by: • introducing multigrid domain-specific constructs to minimize the verbosity of the algorithm specification; • storage remapping to reduce the memory footprint of the program and improve cache locality exploitation; • mitigating execution time spent in data handling operations like memory allocation and freeing, using a pool of memory, across multiple multigrid cycles; and • incorporating other well-known techniques to leverage performance, like exploiting multi-dimensional parallelism and minimizing the lifetime of storage buffers. We evaluate our optimizations on a modern multicore system using five different benchmarks varying in multigrid cycle structure, complexity and size, for two-and three-dimensional data grids. Experimental results show that our optimizations: • improve performance of existing PolyMage optimizer by 1.31x; • are better than straight-forward parallel and vector implementations by 3.2x; • are better than hand-optimized versions in conjunction with optimizations by Pluto, a state-of-the-art polyhedral source-to-source optimizer, by 1.23x; and • achieve up to 1.5$\times$ speedup over NAS MG benchmark from the NAS Parallel Benchmarks. (The speedup numbers are Geometric means over all benchmarks)