@PhDThesis{Lopes:2019:NuMeAp,
author = "Lopes, M{\"u}ller Moreira Souza",
title = "Numerical methods applied to space magnetohydrodynamics for high
performance computing",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2019",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2019-05-02",
keywords = "Adaptive mesh refinement, magnetohydrodynamics, high performance
computing, divergence cleaning, magnetosphere, refinamento de
malha adaptivo, magnetohidrodin{\^a}mica, processamento de alto
desempenho, corre{\c{c}}{\~a}o de diverg{\^e}ncia,
magnetosfera.",
abstract = "The study of physical systems related to the space sciences
presents several challenges regarding the great variety of
phenomena and scales. In particular, magnetohydrodynamic models
are applied in space weather to study phenomena that reach the
Earths atmosphere, affecting infrastructure services provided to
society. In this context, many fields of study complement each
other to obtain a better understanding of these systems. Among
these approaches are the numerical simulations, which provide an
approximated prediction of the system behaviour from a predefined
setup. However, in order for this simulations to be viable, they
must be performed in a realistic time, which is a challenge for
complex models such as the magnetohydrodynamic equations. Thus,
the use of adaptive computational meshs that present higher
refinements in regions of interest is an effective strategy to
reduce the computational time required for simulations. In
particular, the simulations of the magnetohydrodynamic equations
present a fundamental challenge that is the emergence of a
non-realistic divergence over the magnetic field caused by
numerical errors, which requires special techniques to be treated
in order to maintain the correctness and the numerical stability.
This work presents a code for solving magnetohydrodynamic
equations using a high-performance environment that allows the use
of adaptive meshs and parallel algorithms. Also, a new technique
is proposed to overcome the divergence problem. The code is
applied in several test problems in order to verify its
performance. Then it is applied to a Earth magnetosphere model. As
a product of this thesis, an innovative, high-performance tool for
the future space weather research conducted at INPE. RESUMO: O
estudo de sistemas f{\'{\i}}sicos relacionados {\`a}s
ci{\^e}ncias espaciais apresentam diversos desafios devido {\`a}
grande variedade de fen{\^o}menos e escalas envolvidos. Em
particular, modelos magnetohidrodin{\^a}micos s{\~a}o aplicados
em clima espacial para estudar fen{\^o}menos que atingem a
atmosfera terrestre, os quais podem afetar servi{\c{c}}os de
infraestrutura oferecidos {\`a} sociedade. Neste contexto,
diversas {\'a}reas de estudo se complementam visando obter um
melhor entendimento destes sistemas. Dentre estas abordagens
encontram-se as simula{\c{c}}{\~o}es num{\'e}ricas, que
fornecem uma previs{\~a}o aproximada do comportamento do sistema
a partir de uma configura{\c{c}}{\~a}o predeterminada.
Por{\'e}m, para que as simula{\c{c}}{\~o}es sejam vi{\'a}veis,
elas devem ser realizadas dentro de um intervalo de tempo
real{\'{\i}}stico, o que {\'e} um desafio para modelos
complexos como as equa{\c{c}}{\~o}es magnetohidrodin{\^a}micas.
Desta forma, o uso de malhas computacionais adaptativas que
apresentam maior refinamento em regi{\~o}es de interesse {\'e}
uma estrat{\'e}gia efetiva para reduzir o custo computacional
requerido por estas simula{\c{c}}{\~o}es. Em particular, as
simula{\c{c}}{\~o}es das equa{\c{c}}{\~o}es
magnetohidrodin{\^a}micas apresentam um desafio inerente
associado a emers{\~a}o de uma diverg{\^e}ncia n{\~a}o
real{\'{\i}}stica sobre o campo magn{\'e}tico causada por erros
num{\'e}ricos, sendo necess{\'a}rio o uso de t{\'e}cnicas
especiais para manter a exatid{\~a}o e a estabilidade
num{\'e}rica. Este trabalho apresenta um c{\'o}digo para simular
as equa{\c{c}}{\~o}es magnetohidrodin{\^a}micas utilizando um
ambiente de alto desempenho que permite o uso de malhas
adaptativas e algoritmos paralelizados. Al{\'e}m disso, {\'e}
proposta uma nova t{\'e}cnica para lidar com o problema da
diverg{\^e}ncia. Este c{\'o}digo {\'e} aplicado em diversos
problemas de teste para verificar sua performance, incluindo um
modelo de magnetosfera terrestre. Como produto desta tese,
obt{\'e}m-se uma ferramenta inovadora e de alta performance para
futuras pesquisas em clima espacial a serem conduzidas pelo
INPE.",
committee = "Macau, Elbert Einstein Nehrer (presidente) and Domingues,
Margarete Oliveira (orientadora) and Mendes Junior, Odim
(orientador) and Stephany, Stephan and Miranda, Oswaldo Duarte and
Francisco, Cayo Prado Fernandes and Caldas, Iber{\^e} Luiz",
englishtitle = "M{\'e}todos num{\'e}ricos aplicados a magnetohidrodin{\^a}mica
espacial para computa{\c{c}}{\~a}o de alto desempenho",
language = "en",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3T3K8C2",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3T3K8C2",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "20 abr. 2024"
}