Comparison and coupling of continuous and hybridizable discontinuous Galerkin methods : application to multi-physics problems
Authors:   , Paipuri Mahendra 
Published: July 2023

This thesis proposes a coupled continuous and hybridizable discontinuous Galerkin formulation to solve conjugate heat transfer problems. This model is then used to find the thermal response of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) tubular cross-section under fire.

The first step of this thesis is to compare the computational efficiency of high-order Continuous Galerkin (CG) and Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) methods for incompressible fluid flow problems in low Reynolds number regimes. Only 2-D examples and direct solvers are considered in the present work. A thoroughly comparison in terms of CPU time and accuracy for both discretization methods is made under the same platform. Various results presented suggests that HDG can be more efficient than CG when the CPU time, for a given degree, is considered. The stability of HDG and CG is studied using a manufactured solution that produces a sharp boundary layer, confirming that HDG provides smooth converged solutions in the presence of sharp fronts whereas, CG failed to converge due to the presence of numerical oscillations.

Following, the solution of the coupled Navier-Stokes/convection-diffusion problem, using Boussinesq approximation, is formulated within the HDG framework and analysed using numerical experiments and benchmark problems. A coupling strategy between HDG and CG methods is proposed in the framework of second-order elliptic operators. The coupled formulation is implemented and its convergence properties are established numerically by using manufactured solutions. Finally, the proposed coupled formulation between HDG and CG for heat equation is combined with the coupled Navier--Stokes/convection diffusion equations to formulate a new CG-HDG model for solving conjugate heat transfer problems. Benchmark examples are solved using the proposed model and validated with literature values.

The final part of the thesis applies the proposed CG-HDG coupled formulation to predict the thermal response of the GFRP tubular cross-section. The radiosity equation that governs the internal radiation is added to the CG-HDG coupled model.
Estimates of the discretization errors are computed in order to establish the confidence intervals for quantities of interest. Results with the geometry having curved corners in the cavity are presented and shown to be within the estimated uncertainty intervals. CPU times for the linear solver suggests that the proposed CG-HDG model is more efficient than CG-CG model in all the cases considered.

Neste trabalho é proposta uma formulação para acoplar os modelos continuous e hybridizable discontinuous Galerkin a fim de analisar problemas conjugados de transferência de calor. Este modelo é então usado para estudar a resposta térmica de perfis pultrudidos de secção tubular em polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) sob a acção do fogo.
O primeiro passo desta tese é comparar a eficiência computacional dos métodos Continuous Galerkin (CG) e Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) de elevada ordem para problemas de escoamento de fluidos incompressíveis para valores reduzidos do número Reynolds.
Apenas exemplos bidimensionais e métodos directos são considerados no presente trabalho.
Uma comparação exaustiva em termos de tempo de CPU e precisão para ambos os métodos de discretização é efectuada sob uma plataforma comum. Os resultados apresentados sugerem que, em termos do tempo de CPU requerido, o HDG pode ser mais eficiente que o CG, para um determinado grau. A estabilidade do HDG e CG é estudada usando uma solução fabricada que produz uma abrupta descontinuidade, confirmando que o HDG fornece soluções convergentes e suaves na presença de descontinuidades, enquanto o CG não conseguiu convergir devido à presença de oscilações numéricas.
Em seguida, a solução do problema acoplado Navier-Stokes/convecção-difusão, utilizando a aproximação de Boussinesq, é formulada no contexto HDG e analisada usando soluções de referência. Uma estratégia de acoplamento entre os métodos HDG e CG é proposta no âmbito de operadores elípticos de segunda ordem. A formulação acoplada é implementada e suas propriedades de convergência são estabelecidas numericamente usando soluções fabricadas.
Finalmente, a formulação acoplada proposta entre HDG e CG para a equação do calor é combinada com as equações acopladas de Navier-Stokes/convecção-difusão para formular um novo modelo de CG-HDG para resolver problemas de transferência de calor conjugado.
Exemplos de referência são resolvidos usando o modelo proposto e validados com valores de literatura.
A parte final da tese aplica a formulação proposta CG-HDG acoplada para prever a resposta térmica de uma secção transversal tubular de GFRP. A equação de radiosidade que governa a radiação interna é adicionada ao modelo acoplado CG-HDG. Os erros de discretização são calculados para estabelecer os intervalos de confiança para quantidades de interesse.
Resultados considerando a geometria circular dos cantos da cavidade são apresentados. Estes estão dentro do intervalo de incerteza estimado. Os tempos de CPU requeridos para resolver os sistemas de equações lineares sugerem que o modelo proposto CG-HDG é mais eficiente do que o modelo CG-CG em todos os casos considerados.

En esta tesis se propone una formulación acoplada del método de los elementos finitos clásico (CG) y el método Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) para la a solución de problemas térmicos conjugados. El modelo se utiliza para determinar la respuesta al fuego de Polímeros Reforzados con Fibras de Vidrio (GFRP) con sección tubular. El primer paso de la tesis es la comparación de la eficiencia computacional de CG y HDG de alto orden para problemas de flujo incompresible para número de Reynolds (Re) bajo. Se consideran sólo ejemplos 2D y métodos de resolución de sistemas lineales directos. Se presenta una comparación en términos de tiempo de CPU y precisión en la solución para ambas discretizaciones, bajo la misma plataforma de implementación. Los resultados sugieren que HDG puede ser más eficiente computacionalmente que CG en tiempo de CPU, para un grado fijado. La estabilidad de HDG y CG para Re alto se estudia con una solución manufacturada que produce un frente pronunciado, confirmando que HDG proporciona soluciones convergidas suaves en presencia de frentes verticales, en casos en que las oscilaciones numéricas de CG no permiten llegar a convergencia. A continuación, se plantea la solución del problema acoplado Navier-Stokes/convección-difusión, con la aproximación de Boussinesq, en el contexto del método HDG, y se analiza con experimentos numéricos. Se propone una formulación acoplada HDG-CG para la ecuación del calor. Se comprueban numéricamente las propiedades de convergencia del método propuesto. Finalmente, se combina la formulación acoplada propuesta para la ecuación del calor con el acoplamiento con la ecuaciones de Navier-Stokes en el dominio del fluido, creando una nueva formulación CG-HDG para problemas térmicos conjugados. Se consideran tests clásicos para validar los resultados comparando con la literatura existente. La parte final de la tesis aplica la formulación acoplada CG-HDG propuesta a la predicción de la respuesta térmica de secciones tubulares de GFRP, incluyendo radiosidad interna en el modelo. Se calculan estimas de los errores de discretización para determinar intervalos de confianza para las cantidades de interés. Se presentan resultados con geometría con esquinas curvas en la cavidad mostrando resultados dentro de los intervalos de incertidumbre estimados. El tiempo de CPU para la resolución de sistemas sugiere que el modelo CG-HDG propuesto es más eficiente que el clásico método CG-CG en todos los casos considerados.

This thesis proposes a coupled continuous and hybridizable discontinuous Galerkin formulation to solve conjugate heat transfer problems. This model is then used to find the thermal
response of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) tubular cross-section under fire.
The first step of this thesis is to compare the computational efficiency of high-order Continuous Galerkin (CG) and Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) methods for incompressible fluid flow problems in low Reynolds number regimes. Only 2-D examples and direct solvers are considered in the present work. A thoroughly comparison in terms of CPU time and accuracy for both discretization methods is made under the same platform. Various results presented suggests that HDG can be more efficient than CG when the CPU time, for a given degree, is considered. The stability of HDG and CG is studied using a manufactured solution that produces a sharp boundary layer, confirming that HDG provides smooth converged solutions in the presence of sharp fronts whereas, CG failed to converge due to the presence of numerical oscillations.
Following, the solution of the coupled Navier–Stokes/convection-diffusion problem, using
Boussinesq approximation, is formulated within the HDG framework and analysed using numerical experiments and benchmark problems. A coupling strategy between HDG and CG methods is proposed in the framework of second-order elliptic operators. The coupled formulation is implemented and its convergence properties are established numerically by using manufactured solutions. Finally, the proposed coupled formulation between HDG and CG for heat equation is combined with the coupled Navier–Stokes/convection diffusion equations to formulate a new CG-HDG model for solving conjugate heat transfer problems. Benchmark examples are solved using the proposed model and validated with literature values.
The final part of the thesis applies the proposed CG-HDG coupled formulation to predict the thermal response of the GFRP tubular cross-section. The radiosity equation that governs the internal radiation is added to the CG-HDG coupled model. Estimates of the discretization errors are computed in order to establish the confidence intervals for quantities of interest.
Results with the geometry having curved corners in the cavity are presented and shown to be within the estimated uncertainty intervals. CPU times for the linear solver suggests that the proposed CG-HDG model is more efficient than CG-CG model in all the cases considered

Neste trabalho é proposta uma formulação para acoplar os modelos continuous e hybridizable discontinuous Galerkin a fim de analisar problemas conjugados de transferência de calor. Este modelo é então usado para estudar a resposta térmica de perfis pultrudidos de secção tubular em polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) sob a acção do fogo.
O primeiro passo desta tese é comparar a eficiência computacional dos métodos continuous Galerkin (CG) e Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) de elevada ordem para problemas de escoamento de fluidos incompressíveis para valores reduzidos do número Reynolds.
Apenas exemplos bidimensionais e métodos directos são considerados no presente trabalho.
Uma comparação exaustiva em termos de tempo de CPU e precisão para ambos os métodos de discretização é efectuada sob uma plataforma comum. Os resultados apresentados sugerem que, em termos do tempo de CPU requerido, o HDG pode ser mais eficiente que o CG, para um determinado grau. A estabilidade do HDG e CG é estudada usando uma solução fabricada que produz uma abrupta descontinuidade, confirmando que o HDG fornece soluções convergentes e suaves na presença de descontinuidades, enquanto o CG não conseguiu convergir devido à presença de oscilações numéricas.
Em seguida, a solução do problema acoplado Navier-Stokes/convecção-difusão, utilizando
a aproximação de Boussinesq, é formulada no contexto HDG e analisada usando soluções
de referência. Uma estratégia de acoplamento entre os métodos HDG e CG é proposta no
âmbito de operadores elípticos de segunda ordem. A formulação acoplada é implementada e suas propriedades de convergência são estabelecidas numericamente usando soluções fabricadas.
Finalmente, a formulação acoplada proposta entre HDG e CG para a equação do calor
é combinada com as equações acopladas de Navier-Stokes/convecção-difusão para formular
um novo modelo de CG-HDG para resolver problemas de transferência de calor conjugado. Exemplos de referência são resolvidos usando o modelo proposto e validados com valores de literatura.
A parte final da tese aplica a formulação proposta CG-HDG acoplada para prever a resposta térmica de uma secção transversal tubular de GFRP. A equação de radiosidade que governa a radiação interna é adicionada ao modelo acoplado CG-HDG. Os erros de discretização são calculados para estabelecer os intervalos de confiança para quantidades de interesse.
Resultados considerando a geometria circular dos cantos da cavidade são apresentados. Estes estão dentro do intervalo de incerteza estimado. Os tempos de CPU requeridos para resolver os sistemas de equações lineares sugerem que o modelo proposto CG-HDG é mais eficiente do que o modelo CG-CG em todos os casos considerados.

En esta tesis se propone una formulación acoplada del método de los elementos finitos clásico (CG) y el método Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) para la a solución de problemas térmicos conjugados. El modelo se utiliza para determinar la respuesta al fuego de Polímeros Reforzados con Fibras de Vidrio (GFRP) con sección tubular.
El primer paso de la tesis es la comparación de la eficiencia computacional de CG y HDG
de alto orden para problemas de flujo incompresible para número de Reynolds (Re) bajo.
Se consideran sólo ejemplos 2D y métodos de resolución de sistemas lineales directos. Se
presenta una comparación en términos de tiempo de CPU y precisión en la solución para ambas discretizaciones, bajo la misma plataforma de implementación. Los resultados sugieren que HDG puede ser más eficiente computacionalmente que CG en tiempo de CPU, para un grado fijado. La estabilidad de HDG y CG para Re alto se estudia con una solución manufacturada que produce un frente pronunciado, confirmando que HDG proporciona soluciones convergidas suaves en presencia de frentes verticales, en casos en que las oscilaciones numéricas de CG no permiten llegar a convergencia.
A continuación, se plantea la solución del problema acoplado Navier-Stokes/conveccióndifusión, con la aproximación de Boussinesq, en el contexto del método HDG, y se analiza con experimentos numéricos. Se propone una formulación acoplada HDG-CG para la ecuación del calor. Se comprueban numéricamente las propiedades de convergencia del método propuesto.
Finalmente, se combina la formulación acoplada propuesta para la ecuación del calor con el acoplamiento con la ecuaciones de Navier-Stokes en el dominio del fluido, creando una nueva formulación CG-HDG para problemas térmicos conjugados. Se consideran ejemplos clásicos para validar los resultados comparando con la literatura existente.
La parte final de la tesis aplica la formulación acoplada CG-HDG propuesta a la predicción
de la respuesta térmica de secciones tubulares de GFRP, incluyendo radiosidad interna en el modelo. Se calculan estimas de los errores de discretización para determinar intervalos de confianza para las cantidades de interés. Se presentan resultados con geometría con esquinas curvas en la cavidad mostrando resultados dentro de los intervalos de incertidumbre estimados.
El tiempo de CPU para la resolución de sistemas sugiere que el modelo CG-HDG propuesto es más eficiente que el clásico método CG-CG en todos los casos considerados.