Які методи інтеграції в часі ми повинні використовувати для гіперболічних PDE?


13

Якщо ми використовуємо Метод ліній для дискретизації (окрема дискретизація часу та простору) гіперболічних PDE, які ми отримуємо після просторової дискретизації за допомогою нашого улюбленого числового методу (fx. Метод кінцевих томів), чи має значення на практиці, який вирішувач ODE ми використовуємо для тимчасової дискретизації (TVD / SSP / тощо)?

Додана додаткова інформація: Питання точності може бути проблемою для негладких проблем. Відомо, що нелінійні гіперболічні ФДЕ можуть розвиватись поштовхи в кінцевий час, незважаючи на те, що початкове рішення є рівним, і в цьому випадку точність може знизитися до першого порядку для методів високого порядку.

Аналіз стабільності ODE, як правило, проводиться на основі лінеаризації для отримання лінійної напівдискретної системи ODE у вигляді q_t = J q (з вектором збурення qa), де власне значення J слід масштабувати всередині області абсолютної стійкості обраного часу- ступінчастий метод. Альтернативними стратегіями є використання псевдоспектри або, можливо, енергетичного методу для аналізу стабільності.

Я розумію, що мотивація методів TVD / SSP полягає у тому, щоб уникнути помилкових коливань, спричинених тимчасовими методами, які можуть спричинити нефізичну поведінку. Питання полягає в тому, якщо досвід показує, що такі типи методів кроку в часі є вищими порівняно, наприклад, з класичним робочим конем як явним методом Рунге-Кутти чи іншими. Очевидно, вони повинні мати кращі властивості для класів проблем, де рішення може спричинити потрясіння. Тому можна стверджувати, що ми повинні використовувати лише такі типи методів для інтеграції у часі.

Відповіді:


3

Я не знаю, чи ти все ще зацікавився відповіддю, але тут все одно:

Ви вже говорили, що знаєте про утворення шоку в нелінійних рівняннях. Саме тому ви повинні ретельно вибирати інтегратор часу. Немає сенсу застосовувати просторову дискретизацію TVD, коли дискретизація часу відсутня - ви побачите ті самі коливання, які, напевно, бачили при числових потоках вищого порядку.

Це зводиться до того, що вперед Ейлер працює. Ви вже згадували SSP (збереження міцної стабільності) у своєму запитанні. Це особливий клас методів Runge-Kutta, який використовує це. В основному, ви повинні вибрати коефіцієнти методу таким чином, щоб він міг бути записаний у вигляді опуклої комбінації кроків Ейлера. Таким чином, такі властивості, як TVD і подібні, будуть збережені.

Існує дуже хороша книга про методи SSP Готліба, Кетчесона і Шу під назвою "Посилення стабільності збереження Runge-Kutta та багатоступінчастої дискретизації часу" посилання на amazon


Виправте мене, якщо я помиляюся, але вперед Ейлер майже напевно буде нестабільним щодо гіперболічної проблеми. Немає роздільної здатності режимів, пов'язаних з чисто уявними власними значеннями.
Рейд.Атчесон

@ Reid.Atcheson: Усі монотонні методи, які я знаю, ґрунтуються на передових Ейлері - вітер, Лакс-Фрідріх, Годунов ... Це просто залежить від того, що ти робиш у космосі.
Анке

Передній еулер може бути нестабільним у нормі L2, якщо він поєднується з просторовою схемою високого порядку. Тоді ви використовуєте 2-ступінчасті, 3-ступінчасті і т.д. схеми SSPRK, які L2 стабільні. Простіше довести TVD за формою Ейлера вперед. Використання схеми SSPRK також гарантує TVD для схеми високого замовлення. Час кроку для TVD менше, ніж для стабільності L2
cfdlab

2

Так, це має значення. Звичайні дві речі, про які слід турбувати:

  1. Точність. Деякі схеми ODE є більш точними, ніж інші, вищого порядку тощо. Правило полягає у виборі методу з порядком точності, аналогічною вашій просторовій дискретизації.

  2. Стабільність. Для гіперболічних проблем ви очікуєте, що оператор має чисті уявні власні значення, тому ви хочете вирішити ODE, який включає частину уявного доступу в його стабільність області. Див., Наприклад, Додаток G у Форнберзі, Практичний посібник з псевдоспектральних методів.

За допомогою гіперболічних рівнянь деякі люди хочуть гарантувати, що їх рішення завжди позитивні, тому існують різні види фільтрів та хитрощів, щоб забезпечити це. Але я майже нічого про це не знаю.

Я далеко не експерт, але я подумав, що спробую відповісти, оскільки питання вже тут є.


Гіперболічна система включає лише реальні власні значення (виразні, якщо вони суворо гіперболічні) та відповідні реальні власні вектори.
Subodh
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.