Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik
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The thesis at hand deals with the numerical solution of multiscale problems arising in the modeling of processes in fluid and thermo dynamics. Many of these processes, governed by partial differential equations, are relevant in engineering, geoscience, and environmental studies. More precisely, this thesis discusses the efficient numerical computation of effective macroscopic thermal conductivity tensors of high-contrast composite materials. The term "high-contrast" refers to large variations in the conductivities of the constituents of the composite. Additionally, this thesis deals with the numerical solution of Brinkman's equations. This system of equations adequately models viscous flows in (highly) permeable media. It was introduced by Brinkman in 1947 to reduce the deviations between the measurements for flows in such media and the predictions according to Darcy's model.
Zusammenfassung. In dieser Arbeit werden Probleme der numerischen Lösung finiter Differenzenverfahren partieller Differentialgleichungen in einem algebraischen Ansatz behandelt. Es werden sowohl theoretische Ergebnisse präsentiert als auch die praktische Implementierung mithilfe der Systeme SINGULAR und QEPCAD vorgeführt. Dabei beziehen sich die algebraischen Methoden auf zwei unterschiedliche Aspekte bei finiten Differenzenverfahren: die Erzeugung von Schemata mithilfe von Gröbnerbasen und die darauf folgende Stabilitätsanalyse mittels Quantorenelimination durch algebraische zylindrische Dekomposition. Beim Aufbau der Arbeit werden in den ersten drei Kapiteln in einer Rückschau die nötigen Begriffe aus der Computeralgebra gelegt, die Grundzüge der numerischen Konvergenztheorie finiter Differenzenschemata erklärt sowie die Anwendung des CAD-Algorithmus zur Quantorenelimierung skizziert. Das Kapitel 4 entwickelt ausgehend vom zugrunde liegenden Kontext die Formulierung und die dafür nötigen Bedingungen an Differenzenschemata, die algebraisch nach Definition ein Ideal in einem Polynomring darstellen. Neben der praktischen Handhabbarkeit der Objekte liegt die Betonung auf größtmöglicher Allgemeinheit in den Definitionen der Begriffe. Es werden äquivalente Wege der Erzeugung sowie Eigenschaften der Eindeutigkeit unter sehr speziellen Bedingungen an die verwendeten Approximationen gezeigt. Die Anwendung des CAD-Algorithmus auf die Abschätzung des Symbols eines Schemas wird erläutert. Das fünfte Kapitel beschreibt die SINGULAR-Bibliothek findiff.lib, welche das Zusammenspiel von SINGULAR und QEPCAD garantiert und eine vollständige Automatisierung der Erzeugung und Stabilitätsanalyse eines finiten Differenzenverfahrens ermöglicht.