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数学 > 数值分析

arXiv:2505.24504 (math)
[提交于 2025年5月30日 ]

标题: 无雅可比多网格预条件器应用于数值天气预报的间断伽辽金方法

标题: Jacobian-free Multigrid Preconditioner for Discontinuous Galerkin Methods applied to Numerical Weather Prediction

Authors:Philipp Birken, Andreas Dedner, Robert Klöfkorn
摘要: 间断伽辽金(DG)方法是求解非定常可压缩流的有前景的高阶离散化方法。 在这里,我们将重点放在数值天气预报(NWP)上。 这些流动的特点是在$z$-方向上的精细分辨率和低马赫数,这使得系统变得刚性。 因此,需要隐式时间积分,并且为此需要一个快速、高度并行、低内存占用的迭代求解器来处理由此产生的代数系统。 作为基本框架,我们使用了带预条件器的不精确雅可比自由牛顿-GMRES方法。 对于低阶有限体积离散化,多重网格方法已成功应用于稳态和非稳态流体流动。 然而,对于高阶DG方法,目前缺乏此类求解器。 这促使我们研究构造适用于高阶DG离散化的雅可比自由预条件器。 该预条件器基于为DG网格子网格上定义的低阶有限体积离散化构建的多重网格方法。 我们设计了一个计算高效且质量守恒的网格间映射。 作为平滑器,使用显式龙格-库塔伪时间迭代,这些迭代可以以雅可比自由、低内存占用的方式并行实现。 我们考虑了求解二维欧拉方程和粘性流动方程的DG方法,两者都带有重力,在一种平衡良好的公式中。 在大气流动问题的DUNE-FEM软件框架中的数值实验展示了这种方法的优势。
摘要: Discontinuous Galerkin (DG) methods are promising high order discretizations for unsteady compressible flows. Here, we focus on Numerical Weather Prediction (NWP). These flows are characterized by a fine resolution in $z$-direction and low Mach numbers, making the system stiff. Thus, implicit time integration is required and for this a fast, highly parallel, low-memory iterative solver for the resulting algebraic systems. As a basic framework, we use inexact Jacobian-Free Newton-GMRES with a preconditioner. For low order finite volume discretizations, multigrid methods have been successfully applied to steady and unsteady fluid flows. However, for high order DG methods, such solvers are currently lacking. %The lack of efficient solvers suitable for contemporary computer architectures inhibits wider adoption of DG methods. This motivates our research to construct a Jacobian-free precondtioner for high order DG discretizations. The preconditioner is based on a multigrid method constructed for a low order finite volume discretization defined on a subgrid of the DG mesh. We design a computationally efficient and mass conservative mapping between the grids. As smoothers, explicit Runge-Kutta pseudo time iterations are used, which can be implemented in parallel in a Jacobian-free low-memory manner. We consider DG Methods for the Euler equations and for viscous flow equations in 2D, both with gravity, in a well balanced formulation. Numerical experiments in the software framework DUNE-FEM on atmospheric flow problems show the benefit of this approach.
评论: 24页,10幅图
主题: 数值分析 (math.NA) ; 计算物理 (physics.comp-ph)
MSC 类: 65M55, 65M60
引用方式: arXiv:2505.24504 [math.NA]
  (或者 arXiv:2505.24504v1 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.24504
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Robert Klöfkorn [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 5 月 30 日 12:06:38 UTC (2,326 KB)
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