是否有实现高阶收敛的多物理场 PDE 的算子分裂方法?

计算科学 pde 多物理场 运算符拆分
2021-12-05 22:35:24

给定演化 PDE

ut=Au+Bu

在哪里A,B是(可能是非线性的)不对易的微分算子,一种常见的数值方法是在求解之间交替

ut=Au

ut=Bu.

最简单的实现称为 Godunov 分裂,并且是一阶精确的。另一种众所周知的方法,称为 Strang 分裂,是二阶精确的。是否存在高阶算子拆分方法(或替代的多物理场离散化方法)?

4个回答

据我了解,BCH公式是一种近似两个非交换矩阵的矩阵指数的系统方法。

如果考虑通用算子 A 和 B,并且只想做正时间步长(这是解决抛物线问题时通常需要的),则存在 2 的阶障碍,即使用任何类型的拆分,都无法获得收敛速度高于 2。S. Blanes 和 F. Casas 在最近的一篇论文中给出了基本证明,http://www.gicas.uji.es/Fernando/MyPapers/2005APNUM.pdf

但是,如果您对自己的问题有更多了解,有几种方法可以解决:

  • 假设您可以及时求解您的方程(这对于例如薛定谔方程很常见),那么有许多可用的拆分,请参阅 Hairer、Lubich 和 Wanner 的“几何数值积分”一书。
  • 如果您的算子生成解析半群,即您可以为 t 插入复数值(典型的抛物线方程),最近观察到您可以通过进入复平面获得更高阶的分裂。该方向的第一篇文章是 E. Hansen 和 A. Ostermann,http://www.maths.lth.se/na/staff/eskil/dataEskil/articles/Complex.pdf和 F. Castella, P. Chartier 、S. Descombes 和 G. Vilmart。选择在某种意义上“最优”的复杂拆分是当前研究的主题,您可以在 arxiv 上找到几篇关于该主题的论文。

总结:如果你对你的问题进行一些假设,你可以得到一些东西,但如果没有,那么 2 阶是最大值。

PS.:由于防止垃圾邮件,我不得不将 Castella et al-paper 的链接取出,但您可以在 google 上轻松找到它。

LBNL的CCSE小组最近在具有复杂化学性质的低马赫数流中使用了光谱延迟校正 (SDC) 方法。他们将 SDC 结果与 Strang 分裂进行了比较,结果非常有希望。

这是一份包含详细信息的草稿:A Deferred Correction Coupling Strategy for Low Mach Number Flow with Complex Chemistry

请注意,SDC 方案是一种迭代方案,可收敛到高阶精确搭配解决方案,但它是由一阶方法构建的。

至少在原则上,分裂误差可以通过光谱延迟校正方法来减少。然而,这似乎是一个积极研究的领域,而不是真正准备好普遍使用的东西。