对于双曲型PDE,应使用哪种时间积分方法?


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如果我们采用线法对双曲型PDE进行离散化(时间和空间离散化),则在空间离散化之后,通过我们最喜欢的数值方法(fx。有限体积法)获得的结果在实际中是否重要,我们采用哪种ODE求解器进行时间离散化(TVD / SSP /等)?

添加了一些其他信息:精度问题可能是非平滑问题的问题。众所周知,尽管初始解很平滑,但非线性双曲型PDE仍会在有限的时间内产生冲击,在这种情况下,对于高阶方法,精度可能降为一阶。

通常基于线性化进行ODE稳定性分析,以获得形式为q_t = J q(带有qa扰动向量)的ODE线性半离散系统,其中J的特征值应在选定时间的绝对稳定性范围内进行标度,步进方法。替代策略是使用伪光谱或能量方法进行稳定性分析。

我知道,TVD / SSP方法的动机是避免因时间步长方法引起的假性振荡,否则可能会导致不自然的行为。问题是,经验是否表明这些类型的时间步伐方法比例如经典的工作马(如明确的Runge-Kutta方法)或其他方法更优越。显然,它们对于解决方案可能会显示冲击的问题类别应具有更好的性能。因此,有人可能会争辩说,我们应该只将这些类型的方法用于时间积分。

Answers:


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我不知道您是否仍然对答案感兴趣,但是无论如何我还是要去:

您已经说过,您知道非线性方程中的冲击形成。这就是为什么您必须谨慎选择时间积分器的原因。当时间离散化不是必需的时,应用TVD空间离散化是没有用的-您将看到与高阶数值通量相同的振荡。

归结为前卫欧拉的作品。您已经在问题中提到了SSP(强稳定性保护)。这是一类特殊的Runge-Kutta方法。基本上,您必须选择方法的系数,以便可以将其写为Euler步骤的凸组合。这样,将保留TVD等属性。

戈特利布(Gottlieb),凯奇森(Ketcheson)和舒(Shu)撰写了一本关于SSP方法的非常不错的书,名为“强稳定性保持Runge-Kutta和多步时间离散化” 亚马逊链接


如果我错了,请纠正我,但是前锋欧拉几乎肯定会在双曲线问题上不稳定。与纯虚数特征值关联的模式无分辨率。
Reid.Atcheson

@ Reid.Atcheson:我知道的所有单调方法都基于前向欧拉-迎风,Lax-Friedrichs,Godunov ...这仅取决于您在太空中所做的事情。
Anke 2013年

如果结合高阶空间方案,前向欧拉在L2范数中可能会不稳定。然后,您可以使用2阶,3阶等的L2稳定SSPRK方案。对于正向欧拉方案,更容易证明TVD。然后,使用SSPRK方案也可以保证TVD也可以用于高阶方案。TVD的时间步长小于L2稳定性的时间步长
cfdlab

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是的,这很重要。通常要注意的两件事:

  1. 准确性。一些ODE方案比其他ODE方案更准确,更高阶,等等。经验法则是选择一种精度与空间离散相似的方法。

  2. 稳定性。对于双曲线问题,您希望运算符具有纯虚数特征值,因此您需要一个ODE求解器,该求解器在其稳定域中包括虚部访问的某些部分。例如,参见Fornberg的“附录G,伪光谱方法实用指南”。

对于双曲方程式,有些人希望确保其解始终为正,因此有多种过滤器和技巧可以确保这一点。但是我对此一无所知。

我距离专家还很远,但是我想尝试回答一下,因为问题已经存在了一段时间。


双曲系统仅涉及实特征值(严格意义上来说是双曲的)和相应的实特征向量。
Subodh 2013年
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