A Space-Time Meshfree Collocation Method for Coupled Problems on Irregularly-Shaped Domains

Netuzhylov, Hennadiy GND

In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige gitterfreie Raum-Zeit-Kollokationsmethode (engl. STMCM) zur Lösung von Systemen partieller und gewöhnlicher Differentialgleichungen durch eine konsistente Diskretisierung in Raum und Zeit als Alternative zu den etablierten netzbasierten Verfahren vorgeschlagen. Die STMCM gehört zur Klasse der tatsächlich gitterfreien Methoden, die nur mit Punktwolken ohne a priori Netzkonnektivität arbeiten und kein Diskretisierungsnetz benötigen. Das Verfahren basiert auf der Interpolating Moving Least Squares Methode, die eine vereinfachte Erfüllung der Randbedingungen durch die von den Kernfunktionen erfüllte Kronecker-Delta-Eigenschaft ermöglicht, was beim größten Teil anderer netzfreier Verfahren nicht der Fall ist. Ein Regularisierungsverfahren zur Bewältigung des beim Aufbau der Kernfunktionen auftretenden Singularitätsproblems, sowie zur Berechnung aller benötigten Ableitungen der Kernfunktionen wird dargelegt. Ziel ist es dabei, eine Methode zu entwickeln, die die Einfachheit der Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen in starker Form mit den Vorteilen der gitterfreien Verfahren, insbesondere mit Blick auf gekoppelte Probleme des Ingenieurwesens mit sich bewegenden Grenzflächen, verknüpft. Die vorgeschlagene Methode wird zunächst zur Lösung linearer und nichtlinearer partieller sowie gewöhnlicher Differentialgleichungen angewendet. Dabei werden deren Konvergenz- und Genauigkeitseigenschaften untersucht. Die implizite Rekonstruktion der Gebiete mit komplizierten Rändern als Abbildungsstrategie zur Punktwolken-Streuung wird durch die Interpolation von Punktwolkendaten in zwei und drei Raumdimensionen demonstriert. Anhand der Modelle zur Simulation von Biofilm- und Tumor-Wachstumsprozessen werden Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Umweltwissenschaften und der Medizintechnik dargestellt.

In this thesis an innovative Space-Time Meshfree Collocation Method (STMCM) for solving systems of nonlinear ordinary and partial differential equations by a consistent discretization in both space and time is proposed as an alternative to established mesh-based methods. The STMCM belongs to the class of truly meshfree methods, i.e. the methods which do not have any underlying mesh, but work on a set of nodes only without an a priori node-to-node connectivity. The STMCM is constructed using the Interpolating Moving Least Squares technique, allowing a simplified implementation of boundary conditions due to fulfilment of the Kronecker delta property by the kernel functions, which is not the case for the major part of other meshfree methods. A regularization technique to overcome the singularity-by-construction problem and compute all necessary derivatives of the kernel functions is presented. The goal is to design a method that combines the simplicity and straightforwardness of the strong-form computational techniques with the advantages of meshfree methods over the classical ones, especially for coupled engineering problems involving moving interfaces. The proposed STMCM is applied to linear and nonlinear partial and ordinary differential equations of different types and its accuracy and convergence properties are studied. The power of the technique is demonstrated by implicit reconstruction of domains with complex boundaries via interpolation of point cloud data in two and three space dimensions as a `mapping' strategy for distribution of computational points within such domains. Applications from the fields of environmental and medical engineering are presented by means of a mathematical model for simulating a biofilm growth and a nonlinear model of tumour growth processes.

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Netuzhylov, Hennadiy: A Space-Time Meshfree Collocation Method for Coupled Problems on Irregularly-Shaped Domains. Braunschweig 2008. CSE - Computational Sciences in Engineering.

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