Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2006

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008. / Dateien im PDF-Format.

Darmstadt, Techn. University, Diss., 2007.

University, Diss., 2005--Saarbrücken. / Parallelt.: From pixels to regions.

Gegenstand dieser Dissertation ist die numerische Untersuchung des ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts (QHE). Im Mittelpunkt steht dabei der Übergang zwischen den charakteristischen Plateaus des Hall-Leitwertes. Die Beschreibung des Übergangs erfolgt im Rahmen des Chalker-Coddington-Netzwerkmodells, wobei zusätzlich ein Ortsraum-Renormierungsgruppenansatz (RG) angewendet wird um hohe Systemgrößen zu erreichen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine einfache, aber statistisch sehr gute Beschreibung der starken charakteristischen Fluktuationen am Übergang im Rahmen von Verteilungsfunktionen. Die RG Resultate werden zunächst mit Ergebnissen anderer Methoden verglichen. Es werden die kritische Verteilungsfunktion des Leitwertes am QHE Übergang und deren Momente ermittelt. Aus dem Verhalten in der Nähe des Übergangs läßt sich der Wert des kritischen Exponenten der Lokalisierungslänge ableiten. Diese Ergebnisse stimmen sehr gut mit exakten numerischen Simulationen überein. Die RG Methode wird daraufhin zur Berechnung der Energieniveaustatistik (ENS) erweitert. Die kritische ENS der normierten Abstände von benachbarten Energieniveaus und der kritische Exponent werden bestimmt. Danach wird der Einfluß von makroskopischen Inhomogenitäten in Form von langreichweitiger korrelierter Unordnung auf die kritischen Eigenschaften des QHE Übergangs untersucht. Hierbei zeigt sich ein Anwachsen des Exponenten mit zunehmender Reichweite und Stärke der Unordnung. Abschließend wird die RG zur Berechnung des Hall-Widerstandes eingesetzt. Die kritische Verteilung des Hall-Widerstandes läßt auf sehr starke Fluktuationen am Übergang schließen. Abseits des Übergangs in Richtung Isolator wird divergentes Verhalten des Hall-Widerstandes gefunden. Zusammenfassend demonstrieren alle Ergebnisse die Robustheit universeller Eigenschaften am QHE Übergang.

We discuss the numerical solution of large-scale sparse projected discrete-time periodic Lyapunov equations in lifted form which arise in model reduction of periodic descriptor systems. We extend the alternating direction implicit method and the Smith method to such equations. Low-rank versions of these methods are also presented, which can be used to compute low-rank approximations to the solutions of projected periodic Lyapunov equations in lifted form with low-rank right-hand side. Moreover, we consider an application of the Lyapunov solvers to balanced truncation model reduction of periodic discrete-time descriptor systems. Numerical results are given to illustrate the efficiency and accuracy of the proposed methods.:1 Introduction 2 Periodic descriptor systems 3 ADI method for causal lifted Lyapunov equations 4 Smith method for noncausal lifted Lyapunov equations 5 Application to model order reduction 6 Numerical results 7 Conclusions

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wurde das zeitabhängige Strömungsfeld in einem Seitenkanalverdicher unter Verwendung der reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen für mehrere Kennlinienpunkte numerisch berechnet und mit den Ergebnissen bereits vorhandener Messungen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass es mit Hilfe des zeitabhängigen Berechnungsverfahrens möglich ist, die Kennlinie eines Seitenkanalverdichters (Massestrom als Funktion der Druckdifferenz) mit guter Genauigkeit zu berechnen. Hierbei zeigte sich, dass die Berechnungsergebnisse stark von der Wahl des verwendeten Turbulenzmodells abhängen. Weiterhin konnten tieffrequente Strömungszustände, die von akustischen Messungen her bekannt waren, in den Ergebnissen der Berechungen nachgewiesen werden.

This thesis deals with the optimal control of PDEs. After a brief introduction in the theory of elliptic and parabolic PDEs, we introduce a software that solves systems of PDEs by the finite elements method. In the second chapter we derive optimality conditions in terms of function spaces, i.e. a systems of PDEs coupled by some pointwise relations. Now we present algorithms to solve the optimality systems numerically and present some numerical test cases. A further chapter deals with the so called lack of adjointness, an issue of gradient methods applied on parabolic optimal control problems. However, since optimal control problems lead to large numerical schemes, model reduction becomes popular. We analyze the proper orthogonal decomposition method and apply it to our model problems. Finally, we apply all considered techniques to a real world problem.

The Lattice-Boltzmann-model is analyzed with regard to application to numerical solution of flow acoustic problems. In the first part of this study the description of sound wave propagation by common variants of the Lattice-Boltzmann-model is examined by calculation of phase velocity and effective viscosity for sound waves. Schemes with nine velocities in two dimensions and nineteen velocities in three dimensions are considered. For each of these a single relaxation time model (LBGK-model) and a multiple relaxation time model (MRT) is investigated. All schemes exhibit an almost isotropic error in phase speed of sound waves. With a spatial resolution of 10 or 30 grid spacings per wavelength the deviation of phase speed is less than 1 % or 0.1 %, respectively. The dissipation of sound waves is not simulated correctly by LBGK-models since there the bulk viscosity is fixed to the shear viscosity. Apart from that there is only very little numerical dissipation. The dissipation error therefor is negligible in the audible frequency range in air as long as the simulation volumes do not become very large, i.e. much more than some hundred wavelengths. The MRT-models allow to adjust the bulk viscosity by a suitable choice of relaxation parameters. However, if the bulk viscosity is set to a realistic value, stability of the scheme requires free relaxation parameter values which are close to the relaxation parameters that determine the viscosities. Then the gain in stability of MRT-models compared to LBGK-models is lost to some extent. All schemes considered here are able to reproduce the effect of sound wave convection in homogeneous background flows. Although additional numerical errors arise in transport coefficients, the overall errors are of the same order of magnitude as in the case with zero background flow and are not critical in practical applications. In the second part of the work numerical experiments are described which demonstrate the coupling of the flow- and sound field. Three test cases are considered: Sound generation by a single vortex interaction with the leading edge of a semi-infinite flat plate, sound generation by a grazing flow over a partially covered cavity and instationary flow around a half-cylinder with an attached wedge tail. The first test case is simulated in two dimensions with a self-written program. The sound calculated directly is compared to prediction based on an acoustic analogy. The observed amplitudes of the radiated sound agree quantitatively well for all flow and eddy velocities considered here. This implies, that the coupling of the sound and flow field is correct. In the case of the cavity the flow is computed in two dimensions with a self-written program as well as in three dimensions with the commercially available program PowerFLOW. The simulated pressure fluctuations in the cavity are compared to results of a wind tunnel experiment. Good agreement between simulation and wind tunnel experiment is found. The instationary flow around a half cylinder with an attached wedge tail is simulated in three dimensions using PowerFLOW. The radiated sound cannot be captured with PowerFLOW because of insufficient quantization of fluid density. However, pressure fluctuations on the surface of the body exhibit good agreement with the result of a wind tunnel test. Summarizing the results of this work it can concluded, that the Lattice-Boltzmann-model is well suited to numerical solutions of flow acoustic problems.

In der Arbeit werden effektive Verfahren zur Auswertung der Hilbert-Transformation entwickelt und zur Lösung nichtlinearer Randwertaufgaben der Funktionentheorie eingesetzt. Die Verwendung polynomialer Spline-Wavelets und geeignet modifizierter Wavelet-Algorithmen ermöglichen die schnelle Berechnung auf gleichmäßigen und ungleichmäßigen Gittern sowie deren automatische Anpassung an lokale Besonderheiten der Lösung. Die detaillierte Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Glattheit, der Größe des Trägers des Splines, der Anzahl verschwindender Momente und des asymptotischen Verhaltens der Hilbert-Transformierten erlaubt die Anpassung der Parameter des Verfahrens in Bezug auf Genauigkeit und Effektivität. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Lösung von Riemann-Hilbert Probleme vorgeschlagen und deren Konvergenzverhalten untersucht. Die theoretischen Ergebnisse werden durch numerische Experimente bestätigt.