Wave propagation problems with aeroacoustic applications
Authors:   , Espinoza Román Héctor Gabriel 
Published: October 2023

The present work is a compilation of the research produced in the field of wave propagation modeling. It contains in-depth analysis of stability, convergence, dispersion and dissipation of spatial, temporal and spatial-temporal discretization schemes. Space discretization is done using stabilized finite element methods denoted with the acronyms ASGS and OSS. Time discretization is done using finite difference methods including backward Euler (BE), 2nd order backward differentiation formula (BDF2) and Crank-Nicolson (CN).
Firstly, we propose two stabilized finite element methods for different functional frameworks of the wave equation in mixed form. These stabilized finite element methods are stable for any pair of interpolation spaces of the unknowns. The variational forms corresponding to different functional settings are treated in an unified manner through the introduction of length scales related to the unknowns. Stability and convergence analysis is performed together with numerical experiments. It is shown that modifying the length scales allows one to mimic at the discrete level the different functional settings of the continuous problem and influence the stability and accuracy of the resulting methods.
Then, we develop numerical approximations of the wave equation in mixed form supplemented with non-reflecting boundary conditions (NRBCs) of Sommerfeld-type on artificial boundaries for truncated domains.
We consider three different variational forms for this problem, depending on the functional space for the solution, in particular, in what refers to the regularity required on artificial boundaries. Then, stabilized finite element methods that can mimic these three functional settings are described.
Stability and convergence analyses of these stabilized formulations including the NRBC are presented. Additionally, numerical convergence test are evaluated for various polynomial interpolations, stabilization methods and variational forms. Finally, several benchmark problems are solved to determine the accuracy of these methods in 2D and 3D.
Afterwards, we analyze time marching schemes for the wave equation in mixed form. The problem is discretized in space using stabilized finite elements. On the one hand, stability and convergence analyses of the fully discrete numerical schemes are presented. On the other hand, we use Fourier techniques (also known as von Neumann analysis) in order to analyze stability, dispersion and dissipation. Additionally, numerical convergence tests are presented for various time integration schemes, polynomial interpolations (for the spatial discretization), stabilization methods, and variational forms. Finally, a 1D example is solved to analyze the behavior of the different schemes considered.
Later, we present various application examples and compare the numerical results of the different algorithms i.e. ASGS or OSS stabilization and BE, BDF2 or CN time marching schemes. Additionally, comparison with experiments is performed in some cases.
Finally, conclusions are drawn including the research achievements and future work.
El presente trabajo es una compilación de la investigación producida en el campo de modelado de propagación de ondas. Contiene análisis de estabilidad, convergencia, dispersión y disipación de discretizaciones espaciales, temporales y espacio-temporales. La discretización espacial se hace usando elementos finitos estabilizados denotados por los acrónimos ASGS y OSS. La discretización temporal se hace usando métodos de diferencias finitas incluyendo backward Euler (BE), backward differentiation formula de 2do orden (BDF2) y Crank-Nicolson (CN).
En primer lugar, proponemos dos métodos de elementos finitos estabilizados para diferentes marcos funcionales de la ecuación de ondas en forma mixta. Estos métodos de elementos finitos estabilizados son estables para cualquier par de espacios de interpolación de las incógnitas. Las formas variacionales que corresponden a los diferentes marcos funcionales son tratadas de manera unificada a través de la introducción de longitudes de escalado relacionadas a las incógnitas. Estabilidad y convergencia son analizadas junto con experimentos numéricos. Se muestra como modificando las longitudes de escalado se puede reproducir a nivel discreto los diferentes marcos funcionales del problema continuo y como influencian la estabilidad y precisión de los métodos resultantes.
Luego, desarrollamos aproximaciones numéricas de la ecuación de ondas en forma mixta complementadas con condiciones de frontera de no-reflexión (NRBCs) de tipo Sommerfeld sobre fronteras artificiales para dominios truncados. Análisis de estabilidad y convergencia de estas formulaciones estabilizadas incluyendo la NRBC son presentados. Adicionalmente, pruebas de convergencia son llevadas a cabo para varias interpolaciones polinomiales, métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, varios problemas de referencia son resueltos para determinar la precisión de estos métodos en 2D y 3D.
Después, analizamos esquemas de discretización temporal para la ecuación de ondas en forma mixta. El problema es discretizado en el espacio utilizando elementos finitos estabilizados. Por un lado, análisis de convergencia y estabilidad de los esquemas numéricos totalmente discretos son presentados. Por otro lado, usamos técnicas de Fourier (también conocidas como análisis de von Neumann) con el fin de analizar estabilidad, dispersión y disipación. Adicionalmente, pruebas numéricas de convergencia son presentadas para varios esquemas de integración temporal, interpolaciones polinomiales (para la discretización espacial), métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, un ejemplo 1D es resuelto para analizar el comportamiento de los diferentes esquemas numéricos considerados.
Más tarde, presentamos varios ejemplos de aplicación y comparamos los resultados numéricos de los diferentes algoritmos. Por ejemplo estabilización ASGS/OSS y esquemas de integración temporal BD/BDF2/CN. Adicionalmente, se compara los resultados numéricos con resultados experimentales en algunos casos.
Por último, las conclusiones son presentadas incluyendo los logros obtenidos en esta investigación y el trabajo futuro.