Higher order Unfitted Finite Element Methods for moving domain problems
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurden Methoden höherer Ordnung für Probleme auf nicht-gitter-angepassten, möglicherweise bewegenden, Gebieten entwickelt und analysiert. Um Verfahren höherer Ordnung zu erhalten, ist eine genau Approximation der Geometrie essentiell. Das wiederum ist im allgemeinen keine einfache Aufgabe bei nicht-gitter-angepassten Geometrie. Oft ist die Geometrie lediglich implizit gegeben, z.B. in Form einer Levelset-Funktion, sodass keine explizite Parametrisierung bekannt ist, die zum Erzeugen von Quadraturregeln herangezogen werden kann. Um diesem Problem zu begegnen, wurde in diesem Forschungsprojekt der vergleichsweise neue Ansatz isoparametrischer unfitted Finite-Elemente-Methoden verwendet und weiterentwickelt. Es hat sich gezeigt, dass sich die Techniken, die sich für Verfahren niedriger Ordnung bewährt haben, mithilfe der isoparametrischen unfitted Finite-Elemente-Methode auch für Verfahren höherer Ordnung anwenden lassen. Dafür wurde für stationäre Probleme die Kombination mit Stabilisierungstechniken, wie der Ghost-Penalty-Methode betrachtet und analysiert. Sowohl für PDEs auf sich bewegenden Oberflächen wie auch auf sich bewegenden Gebieten, wurden zwei alternative Herangehensweisen untersucht. Die Zeitintegration mit Raum-Zeit-FEM und einen auf einer diskreten Erweiterung basierenden Ansatz, der sich mit den Kernideen der Methode der Linien kombinieren lasst. Beide Verfahren lassen sich mit isoparametrischen unfitted FEM kombinieren, um eine hohe Ordnung im Ort zu gewährleisten. Für die Raum-Zeit-Methode konnten zusätzlich Verfahren beliebig hoher Ordnung in Ort und Zeit realisiert und analysiert werden, wobei die Analyse der erweiterungsbasierten Methoden bisher auf niedrige Ordnung in der Zeit (erste und zweite Ordnung) und höhere Ordnung im Ort beschränkt ist. Der Vorteil der erweiterungsbasierten Methoden liegt in der einfacheren numerischen Realisierung und der typischerweise geringeren Anzahl an Unbekannten in jedem Zeitschritt.
Publications
- A higher order isoparametric fictitious domain mee thod for level set domains, In Stéphane P. A. Bordas, Erik Burman, Mats G. Larson, and Maxim A. Olshanskii, editors, Geometrically Unfitted Finite Element Methods and Applications, pages 65–92. Springer International Publishing, 2017
Christoph Lehrenfeld
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-71431-8_3) - A note on the penalty parameter in Nitsche’s method for unfitted boundary value problems, Computers and Mathematics with Applications, 75:4322–4336, 2018
Frits De Prenter, Christoph Lehrenfeld, and Andre Massing
(See online at https://doi.org/10.1016/j.camwa.2018.03.032) - A stabilized trace finite element method for partial differential equations on evolving surfaces. SIAM J. Numer. Anal., 56:1643–1672, 2018
Christoph Lehrenfeld, Maxim A. Olshanskii, Xianmin Xu
(See online at https://doi.org/10.1137/17M1148633) - L2-estimates for a high order unfitted finite element method for elliptic interface problems. Journal of Numerical Mathematics, 2018
Christoph Lehrenfeld, Arnold Reusken
(See online at https://doi.org/10.1515/jnma-2017-0109) - An Eulerian finite element method for PDEs in time-dependent domains. ESAIM: M2AN, 53:585–614, 2019
Christoph Lehrenfeld, Maxim A. Olshanskii
(See online at https://doi.org/10.1051/m2an/2018068) - Numerical integration on hyperrectangles in isoparametric unfitted finite elements. In European Conference on Numerical Mathematics and Advanced Applications, pages 193–202. Springer, 2019
Fabian Heimann, Christoph Lehrenfeld
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-96415-7_16) - An unfitted Eulerian finite element method for the time-dependent Stokes problem on moving domains. IMA Journal of Numerical Analysis, 2021
Henry von Wahl, Thomas Richter, Christoph Lehrenfeld
(See online at https://doi.org/10.1093/imanum/drab044) - Isoparametric unfitted BDF – finite element method for PDEs on evolving domains,, 2021
Yimin Lou, Christoph Lehrenfeld
(See online at https://doi.org/10.48550/arXiv.2105.09162) - ngsxfem: Add-on to ngsolve for geometrically unfitted finite element discretizations. Journal of Open Source Software, 6(64):3237, 2021
Christoph Lehrenfeld, Fabian Heimann, Janosch Preuß, Henry von Wahl
(See online at https://doi.org/10.21105/joss.03237)
