Published August 26, 2015 | Version v1
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Methods for solving discontinuous-Galerkin finite element equations with application to neutron transport

Description

We consider high order discontinuous-Galerkin finite element methods for partial differential equations, with a focus on the neutron transport equation. We begin by examining a method for preprocessing block-sparse matrices, of the type that arise from discontinuous-Galerkin methods, prior to factorisation by a multi-frontal solver. Numerical experiments on large two and three dimensional matrices show that this preprocessing method achieves a significant reduction in fill-in, when compared to methods that fail to exploit block structures. A discontinuous-Galerkin finite element method for the neutron transport equation is derived that employs high order finite elements in both space and angle. Parallel Krylov subspace based solvers are considered for both source problems and keff-eigenvalue problems. An a-posteriori error estimator is derived and implemented as part of an h-adaptive mesh refinement algorithm for neutron transport keff-eigenvalue problems. This algorithm employs a projection-based error splitting in order to balance the computational requirements between the spatial and angular parts of the computational domain. An hp-adaptive algorithm is presented and results are collected that demonstrate greatly improved efficiency compared to the h-adaptive algorithm, both in terms of reduced computational expense and enhanced accuracy. Computed eigenvalues and effectivities are presented for a variety of challenging industrial benchmarks. Accurate error estimation (with effectivities of 1) is demonstrated for a collection of problems with inhomogeneous, irregularly shaped spatial domains as well as multiple energy groups. Numerical results are presented showing that the hp-refinement algorithm can achieve exponential convergence with respect to the number of degrees of freedom in the finite element space. (author)

Abstract (French)

Cette these traite des methodes d'elements finis Galerkin discontinus d'ordre eleve pour la resolution d'equations aux derivees partielles, avec un interet particulier pour l'equation de transport des neutrons. Nous nous interessons tout d'abord a une methode de pre-traitement de matrices creuses par blocs, qu'on retrouve dans les methodes Galerkin discontinues, avant factorisation par un solveur multifrontal. Des experiences numeriques conduites sur de grandes matrices bi- et tri-dimensionnelles montrent que cette methode de pre-traitement permet une reduction significative du 'fill-in', par rapport aux methodes n'exploitant pas la structure par blocs. Ensuite, nous proposons une methode d'elements finis Galerkin discontinus, employant des elements d'ordre eleve en espace comme en angle, pour resoudre l'equation de transport des neutrons. Nous considerons des solveurs paralleles bases sur les sous-espaces de Krylov a la fois pour des problemes 'source' et des problemes aux valeur propre multiplicatif. Dans cet algorithme, l'erreur est decomposee par projection(s) afin d'equilibrer les contraintes numeriques entre les parties spatiales et angulaires du domaine de calcul. Enfin, un algorithme HP- adaptatif est presente; les resultats obtenus demontrent une nette superiorite par rapport aux algorithmes h-adaptatifs, a la fois en terme de reduction de cout de calcul et d'amelioration de la precision. Les valeurs propres et effectivites sont presentees pour un panel de cas test industriels. Une estimation precise de l'erreur (avec effectivite de 1) est atteinte pour un ensemble de problemes aux domaines inhomogenes et de formes irregulieres ainsi que des groupes d'energie multiples. Nous montrons numeriquement que l'algorithme HP-adaptatif atteint une convergence exponentielle par rapport au nombre de degres de liberte de l'espace elements finis. (auteur)

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186 p.
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