×

可压缩Euler和Navier-Stokes方程的全离散显式局部熵稳定格式。 (英语) Zbl 1524.65677号

摘要:最近,松弛方法被开发出来,以保证常微分方程解的单个全局泛函保持不变。在这里,我们推广了这种方法,以保证有限多个凸泛函(熵)的局部熵不等式,并将所得方法应用于可压缩Euler和Navier-Stokes方程。基于熵守恒或耗散半离散化的非结构化自适应SSDC框架(使用逐部分求和和和和同时逼近项算子),我们开发了可压缩计算流体动力学的第一个主要守恒的离散化,在通常的CFL条件下,局部熵在全离散意义上是稳定的,除了每个元素的单个标量方程的可并行解外,它是显式的,并且在空间和时间上具有任意高阶精度。对于一组日益复杂的测试用例,我们证明了全离散显式局部熵稳定解算器的准确性和鲁棒性。

MSC公司:

65M70型 偏微分方程初值和初边值问题的谱、配置及相关方法
65升06 常微分方程的多步、Runge-Kutta和外推方法
65个M12 含偏微分方程初值和初边值问题数值方法的稳定性和收敛性
35升65 双曲守恒律
第31季度35 欧拉方程
76号06 可压缩Navier-Stokes方程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Dafermos,C.M.,《连续统物理学中的双曲守恒定律》(2010),斯普林格·弗拉格:斯普林格尔·弗拉格柏林-海德堡·Zbl 1196.35001号
[2] Butcher,J.C.,《常微分方程的数值方法》(2016),John Wiley&Sons有限公司:John Willey&Sons Ltd Chichester·Zbl 1354.65004号
[3] Sanz-Serna,J.M.,具有精确守恒性质的显式有限差分格式,J.Compute。物理。,47, 2, 199-210 (1982) ·Zbl 0484.65062号
[4] 桑兹·塞尔纳,J.M。;Manoranjan,V.,某些偏微分方程的时间积分方法,计算。物理。,52, 2, 273-289 (1983) ·Zbl 0514.65085号
[5] Dekker,K。;Verwer,J.G.,(刚性非线性微分方程的Runge-Kutta方法的稳定性。刚性非线性微分方程式的Runge-Gutta方法的稳定性,CWI专著,第2卷(1984年),北荷兰:北荷兰阿姆斯特丹)·Zbl 0571.65057号
[6] Ketcheson,D.I.,《松弛龙格-库塔方法:内生规范的守恒和稳定性》,SIAM J.Numer。分析。,57、6、2850-2870(2019),arXiv:1905.09847·Zbl 1427.65115号
[7] Ranocha,H。;Sayyari,M。;达尔星。;帕萨尼,M。;Ketcheson,D.I.,《松弛Runge-Kutta方法:可压缩Euler和Navier-Stokes方程的全离散显式熵稳定格式》,SIAM J.Sci。计算。,42、2、A612-A638(2020),arXiv:1905.09129·Zbl 1432.76207号
[8] Ranocha,H。;洛奇,L。;Ketcheson,D.I.,初值问题的一般松弛方法及其在多步格式中的应用(2020),arXiv:2003.03012
[9] Ranocha,H。;Ketcheson,D.I.,哈密顿问题的松弛龙格库塔方法,科学杂志。计算。(2020),arXiv:2001.04826,出版中·Zbl 1456.65050号
[10] Tadmor,E.,非线性守恒定律差分近似和相关时间相关问题的熵稳定性理论,Acta Numer。,12451-512(2003年)·Zbl 1046.65078号
[11] LeFloch,P.G。;Mercier,J.-M。;Rohde,C.,任意阶全离散熵守恒格式,SIAM J.Numer。分析。,40, 5, 1968-1992 (2002) ·Zbl 1033.65073号
[12] 费希尔,T.C。;Carpenter,M.H.,非线性守恒律的高阶熵稳定有限差分格式:有限域,J.Compute。物理。,252, 518-557 (2013) ·Zbl 1349.65293号
[13] 斯瓦德,M。;Ùzcan,H.,具有远场和壁边界条件的Euler方程的熵稳定格式,J.Sci。计算。,58, 1, 61-89 (2014) ·Zbl 1290.65084号
[14] 帕萨尼,M。;Carpenter,M.H。;Nielsen,E.J.,三维可压缩Navier-Stokes方程的熵稳定间断界面耦合,J.Compute。物理。,290, 132-138 (2015) ·Zbl 1349.76250号
[15] Carpenter,M.H。;帕萨尼,M。;费希尔,T.C。;Nielsen,E.J.,《计算流体动力学的熵稳定谱元框架》,(第54届美国航空航天学会航空航天科学会议(2016年),美国航空航天学会)
[16] Ranocha,H.,双曲型平衡定律数值方法的广义逐部分求和算子和熵稳定性(2018),TU Braunschweig,(博士论文)·Zbl 1407.65003号
[17] Ranocha,H.,Euler方程的一些熵守恒数值通量的比较,J.Sci。计算。,76,1,216-242(2018),arXiv:1701.02264·Zbl 1397.65151号
[18] Sjögreen,B。;Yee,H.,适用于大范围可压缩气体动力学和MHD流动的高阶熵守恒中心格式,J.Compute。物理。,364, 153-185 (2018) ·Zbl 1392.76045号
[19] 弗里德里希,L。;温特斯,A.R。;费尔南德斯,D.C.D.R。;Gassner,G.J。;帕萨尼,M。;Carpenter,M.H.,具有逐部分求和性质的熵稳定H/p非协调间断Galerkin方法,科学杂志。计算。,77, 2, 689-725 (2018) ·Zbl 1407.65185号
[20] Chan,J.,关于离散熵守恒和熵稳定的间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,362, 346-374 (2018) ·Zbl 1391.76310号
[21] Del Rey Fernández,哥伦比亚特区。;木匠,M.H。;达尔星。;弗雷德里希,L。;温特斯,A.R。;Gassner,G.J。;扎皮尼,S。;Parsani,M.,可压缩Euler方程具有逐部分求和性质的熵稳定非协调离散化(2020),arXiv:1909.12536
[22] Del Rey Fernández,哥伦比亚特区。;Carpenter,M.H。;达尔星。;弗雷德里希,L。;温特斯,A.R。;Gassner,G.J。;扎皮尼,S。;Parsani,M.,可压缩Navier-Stokes方程具有逐部分求和性质的熵稳定非协调离散,计算与流体(2020年),出版·Zbl 1521.76326号
[23] Pazner,W。;Persson,P.-O.,基于线的不连续Galerkin方法的分析和熵稳定性,科学杂志。计算。,80, 1, 376-402 (2019) ·Zbl 1418.65136号
[24] Hicken,J.E.,熵稳定,无界面惩罚的部分离散化高阶求和,J.Sci。计算。,82 (2020) ·Zbl 1434.65184号
[25] Abgrall,R。;奥夫纳,P。;Ranocha,H.,残差分布和间断Galerkin方案熵校正项的重新解释和扩展(2019),arXiv:1908.04556
[26] Higueras,I.,《Runge-Kutta方法的单调性:内积规范》,《科学杂志》。计算。,24, 1, 97-117 (2005) ·Zbl 1078.65554号
[27] Zakerzadeh,H。;美国Fjordholm,《标量守恒定律的高精度全离散熵稳定格式》,IMA J.Numer。分析。,36, 2, 633-654 (2016) ·Zbl 1433.65170号
[28] Ranocha,H。;Glaubitz,J。;奥夫纳,P。;Sonar,T.,使用逐部分求和算子的通量重建方案的人工耗散和模态滤波的稳定性,应用。数字。数学。,128,1-23(2018),另见网址:http://arxiv.org/abs/1606.00995arXiv:1606.00995[math.NA]和http://arxiv.org/abs/1606.01056arXiv:1606.01056[数学.NA]·Zbl 1404.65201号
[29] Jüngel,A。;Schuchnigg,S.,非线性扩散方程的熵耗散半离散Runge-Kutta格式,Commun。数学。科学。,15, 1, 27-53 (2017) ·Zbl 1375.65073号
[30] Tadmor,E.,《从半离散到全离散:能量法II下Runge-Kutta格式的稳定性》,(Estep,D.J.;Tadere,S.,《离散化下保持稳定性的讲座汇编》,《应用数学学报》,第109卷(2002),工业和应用数学学会:费城工业和应用算术学会),25-49·Zbl 1494.65079号
[31] Ranocha,H。;Ùffner,P.,显式Runge-Kutta格式的(L_2)稳定性,科学杂志。计算。,75, 2, 1040-1056 (2018) ·兹比尔1398.65188
[32] 孙,Z。;Shu,C.-W.,含时偏微分方程四阶Runge-Kutta方法的稳定性,《数学年鉴》。科学。申请。,2, 2, 255-284 (2017) ·Zbl 1381.65079号
[33] 孙,Z。;Shu,C.-W.,显式Runge-Kutta时间离散化的强稳定性,SIAM J.Numer。分析。,57、3、1158-1182(2019),arXiv:1811.10680·Zbl 1422.65224号
[34] Ranocha,H。;Nordström,J.,部分时间积分方案的一类(A\)稳定求和(2020),arXiv:2003.03889
[35] 弗里德里希,L。;施努克,G。;温特斯,A.R。;费尔南德斯,D.C.D.R。;Gassner,G.J。;Carpenter,M.H.,双曲守恒律具有逐部分求和性质的熵稳定时空间断Galerkin格式,J.Sci。计算。,80,1175-222(2019),arXiv:1808.08218·Zbl 1421.35262号
[36] 吊杆,P.D。;Zingg,D.W.,基于广义逐部分求和算子的高阶隐式时间推进方法,SIAM J.Sci。计算。,37、6、A2682-A2709(2015)·Zbl 1359.65127号
[37] Nordström,J。;La Cognata,C.,非线性不可压缩Navier-Stokes方程的能量稳定边界条件,数学。公司。,88, 316, 665-690 (2019) ·Zbl 1405.65107号
[38] Ranocha,H.,关于部分时间积分法求和的一些注释,结果应用。数学。,1,第100004条,pp.(2019),arXiv:1901.08377·Zbl 1453.65161号
[39] Burrage,K。;Butcher,J.C.,隐式Runge-Kutta方法的稳定性标准,SIAM J.Numer。分析。,16, 1, 46-57 (1979) ·兹伯利039665043
[40] Burrage,K。;Butcher,J.C.,一般微分方程方法的非线性稳定性,BIT-Numer。数学。,20, 2, 185-203 (1980) ·Zbl 0431.65051号
[41] Ranocha,H.,关于非线性半有界算子显式Runge-Kutta方法的强稳定性,IMA J.Numer。分析。(2020),arXiv:1811.11601
[42] Ranocha,H。;Ketcheson,D.I.,非自治或非线性问题显式Runge-Kutta方法的能量稳定性(2019),arXiv:1909.13215
[43] Lozano,C.,显式龙格-库塔方案的熵产生,科学杂志。计算。,76, 1, 521-565 (2018) ·Zbl 1412.65105号
[44] Lozano,C.,隐式Runge-Kutta方案的熵产生,J.Sci。计算。(2019) ·Zbl 1431.65112号
[45] 海尔,E。;卢比奇,C。;Wanner,G.,(几何-数值积分:常微分方程的结构保持算法。几何-数值集成:常微分方程式的结构保留算法,计算数学中的Springer系列,第31卷(2006),Springer-Verlag:Springer-Verlag Berlin Heidelberg)·Zbl 1094.65125号
[46] 孙,Z。;Shu,C.-W.,利用监督增强显式Runge-Kutta方法的强稳定性(2019),arXiv:1912.11596
[47] 奥夫纳,P。;Glaubitz,J。;Ranocha,H.,《显式和隐式时间积分方法的人工耗散分析》,《国际数值杂志》。分析。模型。(2019),arXiv:1609.02393,出版中
[48] Glaubitz,J。;奥夫纳,P。;Ranocha,H。;Sonar,T.,《通过使用逐部分求和算子重建校正程序的人工粘度》,(Klingenberg,C.;Westdickenberg,M.,《双曲问题的理论、数值和应用II》,《数学与统计中的Springer Proceedings in Mathematics&Statistics》,第237卷(2018年),Springer International Publishing:施普林格国际出版公司Cham),363-375·Zbl 1412.65117号
[49] 帕萨尼,M。;Boukharfane,R。;I.R.诺拉斯科。;德尔·雷伊·费尔南德斯,哥伦比亚特区。;扎皮尼,S。;Dalcin,L.,为下一代可压缩CFD框架揭示高精度熵稳定非连续并置Galerkin方法的潜力:SSDC算法和流动求解器(2020),提交出版
[50] 费尔南德斯,D.C.D.R。;Carpenter,M.H。;达尔星。;弗雷德里希,L。;罗哈斯博士。;温特斯,A.R。;Gassner,G.J。;扎皮尼,S。;Parsani,M.,曲线坐标具有逐部分求和特性的熵稳定非协调离散化(2020),NASA TM-2020-220574
[51] Harten,A.,《关于熵守恒定律系统的对称形式》,J.Compute。物理。,49, 1, 151-164 (1983) ·Zbl 0503.76088号
[52] Carpenter,M.H。;费希尔,T.C。;尼尔森,E.J。;Frankel,S.H.,《Navier-Stokes方程的熵稳定谱配置方案:间断界面》,SIAM J.Sci。计算。,36,5,B835-B867(2014)·Zbl 1457.65140号
[53] 帕萨尼,M。;Carpenter,M.H。;Nielsen,E.J.,三维可压缩Navier-Stokes方程的熵稳定壁边界条件,J.Compute。物理。,292,88-113(2015)·Zbl 1349.76639号
[54] 罗哈斯博士。;Boukharfane,R。;达尔星。;费尔南德斯,D.C.D.R。;Ranocha,H。;凯斯,D。;Parsani,M.,《关于可压缩Navier-Stokes方程熵稳定非连续配置方法的稳健性和性能》(2020),arXiv:1911.10966,提交出版
[55] Fisher,T.C.,可压缩流的高阶(L^2)稳定多域有限差分方法(2012),普渡大学(博士论文)
[56] Carpenter,M.H。;帕萨尼,M。;费希尔,T.C。;Nielsen,E.J.,Burgers方程和可压缩Navier-Stokes方程的熵稳定交错网格谱配置,(美国航空航天局TM-2015-218990(2015),美国航空航天局:美国航空航天局兰利研究中心,汉普顿,弗吉尼亚州23681-2199美国)
[57] Del Rey Fernández,哥伦比亚特区。;Carpenter,M.H。;达尔星。;扎皮尼,S。;Parsani,M.,可压缩Euler和Navier-Stokes方程的熵稳定(h/p)非协调离散化,SN偏微分。埃克。申请。,1, 2 (2020) ·Zbl 1454.65123号
[58] Shi,C。;Shu,C.-W.,关于守恒定律数值方法的局部守恒,计算与流体,169,3-9(2018)·Zbl 1410.65327号
[59] 巴莱,S。;Abhyankar,S。;M.F.亚当斯。;Brown,J。;布鲁纳,P。;Buschelman,K。;达尔星。;Dener,A。;埃伊霍特,V。;格罗普,W.D。;考希克,D。;Knepley,M.G。;May,D.A。;McInnes,L.C.公司。;Mills,R.T。;Munson,T。;鲁普,K。;萨南,P。;B.F.史密斯。;扎皮尼,S。;张,H。;Zhang,H.,PETSC用户手册ANL-95/11-3.10版(2018),阿贡国家实验室,技术代表。
[60] Knepley,M.G。;Karpeev,D.A.,《筛网I的PDE网格算法:网格分布》,科学。程序。,17, 3, 215-230 (2009)
[61] Abhyankar,S。;Brown,J。;康斯坦丁内斯库,E.M。;Ghosh,D。;B.F.史密斯。;Zhang,H.,PETSc/TS:现代可扩展ODE/DAE解算器库(2018),arXiv:1806.01437
[62] Burstede,C。;Wilcox,L.C.公司。;Ghattas,O.,:八叉树森林上并行自适应网格细化的可缩放算法,SIAM J.Sci。计算。,33, 3, 1103-1133 (2011) ·Zbl 1230.65106号
[63] 雷娜·诺拉斯科,I.E。;达尔星。;Del Rey Fernández,哥伦比亚特区。;扎皮尼,S。;Parsani,M.,满足自由流保存的优化几何度量,计算与流体,207(2020),arXiv:1911.03682·Zbl 1502.76079号
[64] Crean,J。;希肯,J.E。;费尔南德斯,D.C.D.R。;Zingg,D.W。;Carpenter,M.H.,欧拉方程在一般曲元上的熵稳定逐部分求和离散化,J.Compute。物理。,356, 410-438 (2018) ·Zbl 1380.76080号
[65] 博加奇,P。;Shampine,L.F.,《Runge-Kutta公式的3(2)对》,应用。数学。莱特。,2, 4, 321-325 (1989) ·Zbl 0705.65055号
[66] Kutta,W.,Beitrag zur näherungsweisen,《积分总微分gleichungen》,Z.Math。物理。,46, 435-453 (1901)
[67] Bogacki,P。;Shampine,L.F.,一个有效的Runge-Kutta((4,5))对,计算。数学。申请。,32, 6, 15-28 (1996) ·Zbl 0857.65077号
[68] Verner,J.H.,具有局部截断误差估计的显式Runge-Kutta方法,SIAM J.Numer。分析。,15, 4, 772-790 (1978) ·Zbl 0403.65029号
[69] 阿莱菲尔德,G。;波特拉,F.A。;Shi,Y.,《748算法:封闭连续函数的零点》,ACM Trans。数学。软件,21,3,327-344(1995)·Zbl 0888.65059号
[70] 蒂塔列夫,V.A。;Toro,E.F.,三维守恒定律的有限体积WENO格式,J.Compute。物理。,201, 1, 238-260 (2004) ·Zbl 1059.65078号
[71] 达尔星。;罗哈斯博士。;扎皮尼,S。;费尔南德斯,D.C.D.R。;Carpenter,M.H。;Parsani,M.,可压缩Navier-Stokes方程的保守和熵稳定固体壁边界条件:绝热壁和热熵传递,J.Compute。物理。,397,第108775条pp.(2019)·Zbl 1453.76068号
[72] Boukharfane,R。;里贝罗,F.H.E。;博阿利,Z。;Mura,A.,一种用于可压缩流动模拟的组合鬼点推进/直接推进浸没边界法(IBM),计算与流体,162,91-112(2018)·Zbl 1390.76554号
[73] 桑塔尼,R。;普林,D.I。;Kosović,B.,衰减可压缩湍流和激波统计的直接数值模拟,物理。流体,13,5,1415-1430(2001)·Zbl 1184.76474号
[74] Boukharfane,R。;博阿利,Z。;Mura,A.,平面激波-湍流相互作用中标量和速度动力学的演变,激波,28,6,1117-1141(2018)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。