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麦克斯韦方程所有阶次的全局约束保持FR/DG格式。 (英语) Zbl 1452.78029号

摘要:计算电动力学(CED)是麦克斯韦方程组的数值解,在科学和工程中的几个问题中发挥着极其重要的作用。需要高精度的解,而间断伽辽金(DG)方法是在数值CED中提供高精度的较好方法之一。麦克斯韦方程组有一对对合约束,对于这些约束,在离散水平上全局满足约束的模拟方案是非常可取的。第三作者和R.Käppeli先生《计算物理杂志》376、1108–1137(2019年;Zbl 1416.78020号)]给出了CED到四阶的全局约束保持DG格式的von Neumann稳定性分析。该论文的重点是发展理论并记录DGTD格式在恒定介电常数和磁导率介质中的优越耗散和色散。本文提出了高达五阶精度的CED工作DGTD方案,并分析了它们在介电常数和磁导率空间剧烈变化时的性能。我们的DGTD方案通过在网格面上配置电位移和磁感应以及它们的高阶模式来实现约束保持。我们的第一个发现是,在四阶和更高阶的精度下,除了以人脸为中心的模式外,还必须发展一些区域中心模式。众所周知,DG格式中的限制步长会降低格式的最佳精度;尽管在WENO型限制器的情况下,这些方案仍然保持其形式上的精度顺序。在本文中,我们记录了介电常数和磁导率几乎变化一个数量级而不需要DG方案任何限制的模拟。这一非常有利的第二个发现确保了DGTD方案即使在介电常数和磁导率存在较大空间变化的情况下也能保持最佳精度。我们还研究了这些问题中的电磁能量守恒。我们的第三个发现表明,即使在介电常数和磁导率在空间上变化很大时,电磁能量也很好地守恒;只要电导率为零。

MSC公司:

78M10个 有限元、伽辽金及相关方法在光学和电磁理论问题中的应用
65平方米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
65Z05个 科学应用

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参考文献:

[1] Ainsworth,M.,高阶间断Galerkin有限元方法的色散和耗散行为,J.计算。物理。,198, 106-130 (2004) ·Zbl 1058.65103号
[2] Balsara,D.S.,磁流体动力学无发散自适应网格细化,J.Compute。物理。,174, 614-648 (2001) ·Zbl 1157.76369号
[3] Balsara,D.S.,《无发散重建磁流体力学的二阶精确方案》,《天体物理学》。补充期刊。,151, 149-184 (2004)
[4] Balsara,D.S.,磁场的无散度重建和磁流体力学的WENO方案,J.Compute。物理。,228, 5040-5056 (2009) ·Zbl 1280.76030号
[5] Balsara,D.S.,《多维HLLE-Riemann解算器:欧拉和磁流体力学流动的应用》,J.Compute。物理。,1970-1993年(2010年)·Zbl 1303.76140号
[6] Balsara,D.S.,《守恒定律的二维HLLC-Riemann解算器:应用于欧拉和磁流体力学流动》,J.Compute。物理。,231, 7476-7503 (2012) ·Zbl 1284.76261号
[7] Balsara,D.S.,具有自相似内部结构的多维Riemann问题。第一部分-结构网格上双曲守恒定律的应用,J.Compute。物理。,277, 163-200 (2014) ·兹比尔1349.76303
[8] Balsara,D.S.,结构化网格上守恒定律的三维HLL-Riemann解算器;应用于欧拉和磁流体力学流动,J.Compute。物理。,295, 1-23 (2015) ·Zbl 1349.76584号
[9] Balsara,D.S。;天野之弥。;Garain,S。;Kim,J.,一个高阶相对论双流体电动力学方案,具有电磁场的一致重建和电磁场的多维黎曼解算器,J.Compute。物理。,318, 169-200 (2016) ·Zbl 1349.76425号
[10] Balsara,D.S。;Dumbser,M.,基于多维黎曼解算器的高阶有限体积格式在非结构网格上的无散度磁流体动力学,J.Compute。物理。,299, 687-715 (2015) ·Zbl 1351.76092号
[11] Balsara,D.S。;Dumbser,M.,具有自相似内部结构的多维Riemann问题。第二部分-非结构网格上双曲守恒定律的应用,J.Compute。物理。,287269-292(2015年)·Zbl 1351.76091号
[12] Balsara,D.S。;Dumbser,M。;Abgrall,R.,《非结构化网格的多维HLLC-Riemann解算器——应用于Euler和MHD流》,J.Compute。物理。,261, 172-208 (2014) ·Zbl 1349.76426号
[13] Balsara,D.S。;Garain,S。;塔夫罗夫,A。;Montecinos,G.,《具有约束保存、多维黎曼解算器和子单元分辨率的材料介质中的计算电动力学——第二部分,高阶FVTD方案》,J.Compute。物理。,354, 613-645 (2018) ·Zbl 1380.78013号
[14] Balsara,D.S。;Käppeli,R.,Von Neumann,使用多维Riemann解算器对诱导方程的全局无发散RKDG格式的稳定性分析,J.Compute。物理。,336, 104-127 (2017) ·Zbl 1375.76212号
[15] Balsara,D.S。;Käppeli,R.,von Neumann,使用多维Riemann解算器对Maxwell方程的全局约束保持DGTD和PNPM格式进行稳定性分析,J.Compute。物理。,376, 1108-1137 (2019) ·Zbl 1416.78020号
[16] Balsara,D.S。;迈耶,C。;Dumbser,M。;杜,H。;Xu,Z.,Euler和磁流体动力学流的ADER方案在结构化网格上的有效实现——与Runge-Kutta方法的速度比较,J.Comput。物理。,235, 934-969 (2013) ·Zbl 1291.76237号
[17] Balsara,D.S。;Nkonga,B.,具有自相似内部结构的多维Riemann问题——第三部分——保守双曲系统HLLI-Riemann解算器的多维模拟,J.Compute。物理。,346, 25-48 (2017) ·Zbl 1378.76056号
[18] Balsara,D.S。;臀部,T。;Dumbser,M。;Munz,C.-D.,《流体力学和无发散磁流体力学的高效、高精度ADER-WENO格式》,J.Compute。物理。,228, 2480-2516 (2009) ·Zbl 1275.76169号
[19] Balsara,D.S。;Spicer,D.S.,在磁流体动力学模拟中使用高阶Godunov磁通确保螺线管磁场的交错网格算法,J.Compute。物理。,149, 270-292 (1999) ·Zbl 0936.76051号
[20] Balsara,D.S。;塔夫洛夫,A。;Garain,S。;Montecinos,G.,《具有约束保存、多维黎曼解算器和子单元分辨率的材料介质中的计算电动力学——第一部分,二阶FVTD方案》,J.Compute。物理。,349, 604-635 (2017) ·Zbl 1380.78014号
[21] Barbas,A。;Velarde,P.,利用自适应网格细化开发Maxwell方程的Godunov方法,J.Compute。物理。,300, 186-201 (2015) ·Zbl 1349.78079号
[22] 布莱希特,S.H。;Lyon,J。;Fedder,J.A。;Hain,K.,《东西向IMF对磁层影响的模拟研究》,Geophys。Res.Lett.公司。,8, 397-400 (1981)
[23] 布雷齐,F。;道格拉斯·J·J。;Fortin,M。;Marini,L.D.,二元和三元空间变量中的有效矩形混合有限元,ESAIM:数学。模型。数字。分析。,21, 581-604 (1987) ·Zbl 0689.65065号
[24] 卡斯通圭,P。;文森特,体育。;Jameson,A.,三角形单元的一类新的高阶能量稳定通量重建方案,J.Sci。计算。,51, 224-256 (2012) ·Zbl 1457.65101号
[25] 陈,J。;Liu,Q.H.,麦克斯韦方程的非纯向量谱元方法,Prog。电动发电机。决议,96,205-215(2009)
[26] Cockburn,B。;李,F。;Shu,C.-W.,麦克斯韦方程的无局部发散间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,194, 588-610 (2004) ·Zbl 1049.78019号
[27] Dai,W。;Woodward,P.R.,《超音速磁流体动力学流动数值模拟中无发散条件和守恒定律》,天体物理学。J.,494,317-335(1998)
[28] De Grazia,D。;Mengaldo,G。;莫西·D·。;文森特,体育。;Sherwin,S.J.,《间断Galerkin方法和高阶通量重建方案之间的联系》,国际期刊Numer。液体方法,75,860-877(2014)·Zbl 1455.65161号
[29] DeVore,C.R.,多维可压缩磁流体动力学的通量修正输运技术,J.Compute。物理。,92, 142-160 (1991) ·Zbl 0716.76056号
[30] Dumbser,M。;Balsara,D.S。;托罗,E.F。;Munz,C.-D.,在非结构化网格上构造一步有限体积和间断Galerkin格式的统一框架,J.Compute。物理。,227, 8209-8253 (2008) ·Zbl 1147.65075号
[31] Dumbser,M。;O.扎诺蒂。;伊达尔戈,A。;Balsara,D.S.,具有时空自适应网格精化的ADER-WENO有限体积格式,J.Comput。物理。,248, 257-286 (2013) ·Zbl 1349.76325号
[32] 埃文斯,C.R。;Hawley,J.F.,《磁流体动力学流动模拟-约束传输方法》,天体物理学。J.,332659(1988)
[33] Gedney,S.D.,电磁场有限差分时域(FDTD)方法简介,计算电磁学综合讲座,第6卷,1-250(2011)·Zbl 1271.78001号
[34] 赫塞文,J.S。;Warburton,T.,《非结构化网格上的节点高阶方法:I.麦克斯韦方程的时域解》,J.Compute。物理。,181, 186-221 (2002) ·Zbl 1014.78016号
[35] Huynh,H.T.,包括间断Galerkin方法在内的高阶格式的通量重建方法,(第18届AIAA计算流体动力学会议,第18届IAAA计算流体力学会议,佛罗里达州迈阿密(2007年6月),AIAA)
[36] Ismagilov,T.Z.,非结构化网格上具有不连续电磁特性的麦克斯韦方程组的二阶有限体积格式,J.Comput。物理。,282, 33-42 (2015) ·Zbl 1352.65280号
[37] 科普里瓦,D.A。;Kolias,J.H.,可压缩流动的保守交错网格Chebyshev多域方法,J.Compute。物理。,125, 244-261 (1996) ·Zbl 0847.76069号
[38] 刘,Y。;Vinokur,M。;Wang,Z.,《非结构网格的谱差分方法I:基本公式》,J.Compute。物理。,216, 780-801 (2006) ·Zbl 1097.65089号
[39] Mengaldo,G。;De Grazia,D。;文森特,体育。;Sherwin,S.J.,《关于间断Galerkin和通量重建方案之间的联系:对曲线网格的扩展》,J.Sci。计算。,67, 1272-1292 (2016) ·Zbl 1342.65196号
[40] 蒙兹,C.-D。;Omnes,P。;施耐德,R。;Sonnendrücker,E。;Voß,U.,基于双曲线模型的Maxwell解算器的散度校正技术,J.Compute。物理。,161, 484-511 (2000) ·Zbl 0970.78010号
[41] 任奇。;Nagar,J。;康,L。;卞,Y。;沃纳,P。;Werner,D.H.,由DCP介质组成的纳米结构的高效宽带数值模拟技术,(2017年7月),IEEE,1059-1060
[42] Ryu,D。;米尼亚蒂,F。;琼斯,T.W。;Frank,A.,多维磁流体力学流动的无发散迎风代码,天体物理学。J.,509,244-255(1998)
[43] 舒,C.-W。;Osher,S.,《本质上非振荡冲击捕获方案的有效实现》,J.Compute。物理。,77, 439-471 (1988) ·Zbl 0653.65072号
[44] 舒,C.-W。;Osher,S.,《本质上非振荡冲击捕获方案的有效实现》,II,J.Compute。物理。,83, 32-78 (1989) ·Zbl 0674.65061号
[45] 斯皮特里,R.J。;Ruuth,S.J.,一类新的最优高阶强稳定时间离散化方法,SIAM J.Numer。分析。,40, 469-491 (2002) ·Zbl 1020.65064号
[46] 斯皮特里,R.J。;Ruuth,S.J.,使用最优四阶强稳定性保持Runge-Kutta方法的非线性演化,数学。计算。模拟。,62, 125-135 (2003) ·Zbl 1015.65031号
[47] 塔夫罗夫,A。;Brodwin,M.,微波辐射人眼模型内电磁场和感应温度的计算,IEEE Trans。Microw公司。理论技术,23888-896(1975)
[48] 塔夫罗夫,A。;Brodwin,M.,使用含时Maxwell方程数值求解稳态电磁散射问题,IEEE Trans。Microw公司。《理论技术》,23,623-630(1975)
[49] 塔夫罗夫,A。;Hagness,S.C.,《麦克斯韦方程的有限差分时域解》(Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering,2016年5月),John Wiley&Sons,Inc.:John Willey&Sons公司,美国新泽西州霍博肯市),1-33
[50] Van Leer,B.,《走向最终保守差分格式》。四、 数值对流的一种新方法,J.Compute。物理。,23, 276-299 (1977) ·Zbl 0339.76056号
[51] van Leer,B.,《走向最终保守差分格式》。V.戈杜诺夫方法的二阶续集,J.Compute。物理。,32, 101-136 (1979) ·Zbl 1364.65223号
[52] 文森特,体育。;卡斯通盖,P。;Jameson,A.,《冯·诺依曼高阶通量重建方案分析的见解》,J.Compute。物理。,230, 8134-8154 (2011) ·Zbl 1343.65117号
[53] 文森特,体育。;卡斯通圭,P。;Jameson,A.,一类新的高阶能量稳定通量重建方案,J.Sci。计算。,47, 50-72 (2011) ·Zbl 1433.76094号
[54] 威瑟登,F。;文森特,P。;Jameson,A.,《高阶通量重建方案》,《数值分析手册》,第17卷,227-263(2016),Elsevier
[55] 徐,Z。;Balsara,D.S。;Du,H.,基于无散度WENO重构的有限体积格式,用于求解三角形网格上的理想MHD方程,Commun。计算。物理。,19, 841-880 (2016) ·Zbl 1373.76149号
[56] Yee,K.,各向同性介质中麦克斯韦方程初边值问题的数值解,IEEE Trans。天线传播。,14, 302-307 (1966) ·Zbl 1155.78304号
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