Navas Montilla, Adrián
Murillo Castarlenas, Javier (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2018
Resumen: En la actualidad, gracias al desarrollo de algoritmos de simulación avanzados y de tecnologías computacionales eficientes que ha tenido lugar durante las últimas décadas, es posible simular problemas de elevada complejidad que hace unos años eran inalcanzables. Parte de estos problemas se modelan mediente ecuaciones en derivadas parciales de tipo hiperbólico. Este tipo de ecuaciones reproducen con fidelidad aquellos fenómenos que involucran la propagación de ondas. En situaciones realistas, es necesario tener en cuenta efectos dinámicos adicionales más allá de los fenómenos puramente convectivos. Dichos efectos se modelan matemáticamente mediante los llamados términos fuente, que dan lugar a sistemas de ecuaciones no homogéneos y suponen un desafío computacional importante en numerosas ocasiones. Sólo unas determinadas discretizaciones del término fuente garantizan la convergencia de la solución a una solución físicamente realista; cuando se utilizan métodos numéricos sofisticados, la complejidad en el tratamiento de los términos fuentes aumenta de forma notable.
Esta tesis se centra en el desarrollo de esquemas numéricos de orden arbitrario para la resolución de sistemas hiperbólicos siguiendo la metodología ADER, que permite la extensión del esquema tradicional de Godunov a orden arbitrario. Los métodos que aquí se presentan están enfocados a la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas, pero se formulan de forma general para su posible aplicación a otros modelos matemáticos. La particularidad fundamental de los esquemas numéricos propuestos en esta tesis reside en la manera en la que se introducen los términos fuente en la formulación discreta. A diferencia de la mayoría de métodos comunmente utilizados, aquí se propone introducir los términos fuente en la formulación de los flujos numéricos, siguiendo una metodología de discretización upwind. Esto implica considerar los términos fuente en la formulación del problema de Riemann derivativo. De este modo, es posible garantizar un equilibrio perfecto entre flujos y términos fuente a nivel discreto y reproducir con precisión aquellas situaciones de equilibrio relevantes para los problemas estudiados. Para las ecuaciones de aguas poco profundas, aquellos esquemas que satisfacen esta propiedad se denominaron tradicionalmente well-balanced, aunque dicha atribución sólo hacía referencia a la preservación de estados de reposo estático.
Se muestra que sólo aquellos términos fuentes de tipo geométrico (por ejemplo, término de variación de fondo en las ecuaciones de aguas poco profundas) se deben incluir en la resolución del problema de Riemann derivativo. Otros términos fuente de distinta naturaleza se pueden integrar de forma tradicional utilizando reglas de cuadratura, o bien, se pueden reescribir como términos geométricos y pueden ser tratados del mismo modo. Siguiendo esta última aproximación, es posible garantizar la propiedad well-balanced sin perder el orden de convergencia arbitrario. Aquí se detalla la construcción de esquemas numéricos de orden arbitrario para las ecuaciones de aguas poco profundas con términos fuente de fondo, fricción y Coriolis, que satisfacen la propiedad well-balanced. Además, mediante consideraciones de conservación de energía a nivel discreto, dicha propiedad se extiende para situaciones de equilibrio unidimensionales que involucran velocidades no nulas, desde una perspectiva de un esquema ADER.
Por último, en este trabajo también se estudian anomalías numéricas que pueden aparecer en la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas. Dichas anomalías son intrínsecas al método de volúmenes finitos y pueden dar lugar a oscilaciones severas de la solución numérica. Siguiendo estudios previos sobre anomalías numéricas en las ecuaciones de Euler, se formula un marco teórico para el estudio de dichas anomalías en las ecuaciones de aguas poco profundas. Se muestra que la presencia de resaltos hidráulicos genera oscilaciones numéricas en el caudal y se propone una corrección del flujo que lo solventa.
Resumen (otro idioma):
Esta tesis se centra en el desarrollo de esquemas numéricos de orden arbitrario para la resolución de sistemas hiperbólicos siguiendo la metodología ADER, que permite la extensión del esquema tradicional de Godunov a orden arbitrario. Los métodos que aquí se presentan están enfocados a la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas, pero se formulan de forma general para su posible aplicación a otros modelos matemáticos. La particularidad fundamental de los esquemas numéricos propuestos en esta tesis reside en la manera en la que se introducen los términos fuente en la formulación discreta. A diferencia de la mayoría de métodos comunmente utilizados, aquí se propone introducir los términos fuente en la formulación de los flujos numéricos, siguiendo una metodología de discretización upwind. Esto implica considerar los términos fuente en la formulación del problema de Riemann derivativo. De este modo, es posible garantizar un equilibrio perfecto entre flujos y términos fuente a nivel discreto y reproducir con precisión aquellas situaciones de equilibrio relevantes para los problemas estudiados. Para las ecuaciones de aguas poco profundas, aquellos esquemas que satisfacen esta propiedad se denominaron tradicionalmente well-balanced, aunque dicha atribución sólo hacía referencia a la preservación de estados de reposo estático.
Se muestra que sólo aquellos términos fuentes de tipo geométrico (por ejemplo, término de variación de fondo en las ecuaciones de aguas poco profundas) se deben incluir en la resolución del problema de Riemann derivativo. Otros términos fuente de distinta naturaleza se pueden integrar de forma tradicional utilizando reglas de cuadratura, o bien, se pueden reescribir como términos geométricos y pueden ser tratados del mismo modo. Siguiendo esta última aproximación, es posible garantizar la propiedad well-balanced sin perder el orden de convergencia arbitrario. Aquí se detalla la construcción de esquemas numéricos de orden arbitrario para las ecuaciones de aguas poco profundas con términos fuente de fondo, fricción y Coriolis, que satisfacen la propiedad well-balanced. Además, mediante consideraciones de conservación de energía a nivel discreto, dicha propiedad se extiende para situaciones de equilibrio unidimensionales que involucran velocidades no nulas, desde una perspectiva de un esquema ADER.
Por último, en este trabajo también se estudian anomalías numéricas que pueden aparecer en la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas. Dichas anomalías son intrínsecas al método de volúmenes finitos y pueden dar lugar a oscilaciones severas de la solución numérica. Siguiendo estudios previos sobre anomalías numéricas en las ecuaciones de Euler, se formula un marco teórico para el estudio de dichas anomalías en las ecuaciones de aguas poco profundas. Se muestra que la presencia de resaltos hidráulicos genera oscilaciones numéricas en el caudal y se propone una corrección del flujo que lo solventa.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: mecánica de fluidos ; ingeniería hidráulica ; matemáticas ; informática
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica
Plan(es): Plan 514
Departamento: Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos
Nota: Presentado: 27 04 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, 2018
Enlace permanente:
Registro creado el 2018-05-24, última modificación el 2021-05-20
