Extended hybridizable discontinuous Galerkin method
Authors:   , Gürkan Ceren 
Published: July 2023

This thesis proposes a new numerical technique: the eXtended Hybridizable Discontinuous Galerkin (X-HDG) Method, to efficiently solve problems including moving boundaries and interfaces. It aims to outperform available methods and improve the results by inheriting favored properties of Discontinuous Galerkin (HDG) together with an explicit interface definition. X-HDG combines the Hybridizable HDG method with an eXtended Finite Element (X-FEM) philosophy, with a level set description of the interface, to form an hp convergent, high order unfitted numerical method. HDG outperforms other Discontinuous Galerkin (DG) methods for problems involving self-adjoint operators, due to its hybridization and superconvergence properties. The hybridization process drastically reduces the number of degrees of freedom in the discrete problem, similarly to static condensation in the context of high-order Continuous Galerkin (CG). On other hand, HDG is based on a mixed formulation that, differently to CG or other DG methods, is stable even when all variables (primal unknowns and derivatives) are approximated with polynomials of the same degree k. As a result, convergence of order k+1 in the L2 norm is proved not only for the primal unknown, but also for its derivatives. Therefore, a simple element-by-element postprocess of the derivatives leads to a superconvergent approximation of the primal variables, with convergence of order k+2 in the L2 norm. X-HDG inherits these favored properties of HDG in front of CG and DG methods; moreover, thanks to the level set description of interfaces, costly remeshing is avoided when dealing with moving interfaces. This work demonstrates that X-HDG keeps the optimal and superconvergence of HDG with no need of mesh fitting to the interface.

In Chapters 2 and 3, the X-HDG method is derived and implemented to solve the steady-state Laplace equation on a domain where the interface separates a single material from the void and where the interface separates two different materials. The accuracy and the convergence of X-HDG is tested over examples with manufactured solutions and it is shown that X-HDG outperforms the previous proposals by demonstrating high order optimum and super convergence, together with reduced system size thanks to its hybrid nature, without mesh fitting.

In Chapters 4 and 5, the X-HDG method is derived and implemented to solve Stokes interface problem for void and bimaterial interfaces. With X-HDG, high order convergence is demonstrated over unfitted meshes for incompressible flow problems.

X-HDG for moving interfaces is studied in Chapter 6. A transient Laplace problem is considered, where the time dependent term is discretized using the backward Euler method. A collapsing circle example together with two-phase Stefan problem are analyzed in numerical examples section. It is demonstrated that X-HDG offers high-order optimal convergence for time-dependent problems. Moreover, with Stefan problem, using a polynomial degree k, a more accurate approximation of interface position is demonstrated against X-FEM, thanks to k+1 convergent gradient approximation of X-HDG. Yet again, results obtained by previous proposals are improved.

Esta tesis propone una nueva técnica numérica: eXtended Hybridizable Discontinuous Galerkin (X-HDG), para resolver eficazmente problemas incluyendo fronteras en movimiento e interfaces. Su objetivo es superar las limitaciones de los métodos disponibles y mejorar los resultados, heredando propiedades del método Hybridizable Discontinuous Galerkin method (HDG), junto con una definición de interfaz explícita. X-HDG combina el método HDG con la filosofía de eXtended Finite Element method (X-FEM), con una descripción level-set de la interfaz, para obtener un método numérico hp convergente de orden superior sin ajuste de la malla a la interfaz o frontera. HDG supera a otros métodos de DG para los problemas implícitos con operadores autoadjuntos, debido a sus propiedades de hibridación y superconvergencia. El proceso de hibridación reduce drásticamente el número de grados de libertad en el problema discreto, similar a la condensación estática en el contexto de Continuous Galerkin (CG) de alto orden. Por otro lado, HDG se basa en una formulación mixta que, a diferencia de CG u otros métodos DG, es estable incluso cuando todas las variables (incógnitas primitivas y derivadas) se aproximan con polinomios del mismo grado k. Como resultado, la convergencia de orden k + 1 en la norma L2 se demuestra no sólo para la incógnita primal sino también para sus derivadas. Por lo tanto, un simple post-proceso elemento-a-elemento de las derivadas conduce a una aproximación superconvergente de las variables primales, con convergencia de orden k+2 en la norma L2. X-HDG hereda estas propiedades. Por otro lado, gracias a la descripción level-set de la interfaz, se evita caro remallado tratando las interfaces móviles. Este trabajo demuestra que X-HDG mantiene la convergencia óptima y la superconvergencia de HDG sin la necesidad de ajustar la malla a la interfaz. En los capítulos 2 y 3, se deduce e implementa el método X-HDG para resolver la ecuación de Laplace estacionaria en un dominio donde la interfaz separa un solo material del vacío y donde la interfaz separa dos materiales diferentes. La precisión y convergencia de X-HDG se prueba con ejemplos de soluciones fabricadas y se demuestra que X-HDG supera las propuestas anteriores mostrando convergencia óptima y superconvergencia de alto orden, junto con una reducción del tamaño del sistema gracias a su naturaleza híbrida, pero sin ajuste de la malla. En los capítulos 4 y 5, el método X-HDG se desarrolla e implementa para resolver el problema de interfaz de Stokes para interfaces vacías y bimateriales. Con X-HDG, de nuevo se muestra una convergencia de alto orden en mallas no adaptadas, para problemas de flujo incompresible. X-HDG para interfaces móviles se discute en el Capítulo 6. Se considera un problema térmico transitorio, donde el término dependiente del tiempo es discretizado usando el método de backward Euler. Un ejemplo de una interfaz circulas que se reduce, junto con el problema de Stefan de dos fases, se discute en la sección de ejemplos numéricos. Se demuestra que X-HDG ofrece un alto grado de convergencia óptima para problemas dependientes del tiempo. Además, con el problema de Stefan, usando un grado polinomial k, se demuestra una aproximación más exacta de la posición de la interfaz contra X-FEM, gracias a la aproximación del gradiente convergente k + 1 de X-HDG. Una vez más, se mejoran los resultados obtenidos por las propuestas anteriores