Simulation and analysis of temporal multiscale problems with partial differential equations
Simulation and analysis of temporal multiscale problems with partial differential equations
批准号:
411046898
负责人:
Professor Dr. Thomas Richter
金额:
$0.0万
依托单位国家:
德国
项目类别:
Research Grants
财政年份:
2019
资助国家:
德国
项目状态:
已结题
起止时间:
2018-12-31 至 2022-12-31
中文摘要
本研究项目旨在分析涉及偏微分方程的时间多尺度问题。许多应用描述了长期影响,如材料风化,由于原子缺陷(如杂质)导致的材料断裂,或生物模式的形成和生长过程。这些现象常常受到重要的短尺度效应的影响。用传统技术模拟这些过程是不可能的。动脉硬化斑块的形成是一个缓慢的过程,需要数月的时间。然而,它受到脉动血流的强烈影响,这需要不到一秒的分辨率。在长时间内对复杂流动问题进行如此精确的直接数值模拟显然是不可能的。我们将及时开发和分析基于平均快速过程的多尺度方法,以便考虑有效的长期问题。这个项目的一部分致力于时间多尺度问题的数学分析。通常,我们可以引入一个尺度参数来表示快慢尺度之间的关系。我们将研究时间多尺度问题的解对简单平均长期问题解的收敛性。收敛性将根据尺度参数进行测量。在这个项目的第二部分,我们将设计和实现数值近似方案,以有效地模拟时间多尺度问题。这些数值工具旨在近似求解平均长期问题。数值方法将基于偏微分方程空间离散化的有限元和时间离散化的伽辽金方法。为了获得有效的仿真工具,我们将基于空间和时间上的自适应进行离散化。这两个部分是共同努力进行的。为了设计数值逼近工具,我们必须了解所涉及方程的解析性质,以便设计正确的平均方案。数值实验将通过提供预期收敛率的第一印象来帮助分析。我们开发了一种通用的数值格式,而不局限于特定的应用。所有方法都将在有限元软件库Gascoigne中实现,并作为开源项目发布,这样就可以为各种相关的多尺度问题提供新的发现。时间多尺度偏微分方程问题的数学研究是一项具有挑战性的任务。到目前为止,只有很少的结果可用。
英文摘要
This research project aims at the analysis of temporal multiscale problems involving partial differential equations. Many applications describe long-term effects, such as material weathering, material fracture due to atomistic defects such as impurities, or biological pattern formation and growth processes. These phenomena are often influenced by important short-scale effects.Simulation of such processes with traditional techniques is not possible. Formation of arteriosclerotic plaques is a slow process that takes months. It is however strongly influenced by the pulsating blood flow which will require a resolution of less than a second. Direct numerical simulations of complex flow problems with such a fine resolution over long periods of time are clearly beyond the bounds of possibility. We will develop and analyze multiscale methods in time, that are based on averaging the fast processes, such that effective long term problems can be considered.One part of this project is devoted to the mathematical analysis of temporal multiscale problems. Usually, we can introduce a scale parameter that indicates the relation between fast and slow scales. We will investigate the convergence of the solution to the temporal multiscale problem to the solution of the simpler averaged long-term problem. Convergence will be measured with respect to the scale parameter.In the second part of this project, we will design and implement numerical approximation schemes for the efficient simulation of temporal multiscale problems. These numerical tools will aim at approximating the solution to the averaged long-term problem. The numerical methods will be based on finite elements for spatial discretization of the partial differential equations and Galerkin methods for temporal discretization. For deriving efficient simulation tools, we will base the discretizations on adaptivity in space in time. Both parts are conducted in joint effort. For designing numerical approximation tools, we must know about the analytical properties of the involved equations, such that correct averaging schemes can be designed. Numerical experiments will help the analysis by providing first impressions on expected convergence rates. We develop numerical schemes of a universal character without a limitation to specific applications. All methods will be implemented in the finite element software library Gascoigne and published as open source project, such that new findings are available for various related multiscale problems. The mathematical investigation of temporal multiscale problems with partial differential equations is a challenging task. Up to now, only very few results are available.
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会议论文
Adaptive Finite-Elemente-Methoden für instaionäre 3D-Strömungsprobleme
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批准号:33053920
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项目类别:Research Fellowships
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资助金额:$0.0万
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财政年份:2006
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负责人:Professor Dr. Thomas Richter
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依托单位:
国内基金
海外基金
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Scalable Learning and Optimization: High-dimensional Models and Online Decision-Making Strategies for Big Data Analysis
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批准号:--
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项目类别:合作创新研究团队
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依托单位:
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批准号:--
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项目类别:外国学者研究基金项目
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资助金额:--
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批准年份:2024
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批准号:31971981
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批准年份:2019
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依托单位:
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