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Reduced-Order Modeling with Time-Dependent Bases for PDEs with Stochastic Boundary Conditions

数学 正交性 应用数学 边值问题 正交性 离散化 偏微分方程 数学分析 正交基 物理 几何学 量子力学
作者
Prerna Patil,Hessam Babaee
出处
期刊:SIAM/ASA Journal on Uncertainty Quantification [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:11 (3): 727-756 被引量:2
标识
DOI:10.1137/21m1468097
摘要

Low-rank approximation using time-dependent bases (TDBs) has proven effective for reduced-order modeling of stochastic partial differential equations (SPDEs). In these techniques, the random field is decomposed to a set of deterministic TDBs and time-dependent stochastic coefficients. When applied to SPDEs with nonhomogeneous stochastic boundary conditions (BCs), appropriate BC must be specified for each of the TDBs. However, determining BCs for TDB is not trivial because (i) the dimension of the random BCs is different than the rank of the TDB subspace and (ii) TDB in most formulations must preserve orthonormality or orthogonality constraints, and specifying BCs for TDB should not violate these constraints in the space-discretized form. In this work, we present a methodology for determining the boundary conditions for TDBs at no additional computational cost beyond that of solving the same SPDE with homogeneous BCs. Our methodology is informed by the fact the TDB evolution equations are the optimality conditions of a variational principle. We leverage the same variational principle to derive an evolution equation for the value of TDB at the boundaries. The presented methodology preserves the orthonormality or orthogonality constraints of TDBs. We present the formulation for the dynamically biorthonormal decomposition [P. Patil and H. Babaee, J. Comput. Phys., (2020), 109511] as well as the dynamically orthogonal decomposition [T. P. Sapsis and P. F. Lermusiaux, Phys. D, 238 (2009), pp. 2347–2360]. We show that the presented methodology can be applied to stochastic Dirichlet, Neumann, and Robin boundary conditions. We assess the performance of the presented method for linear advection-diffusion equation, Burgers’ equation, and 2D advection-diffusion equation with constant and temperature-dependent conduction coefficient.

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