We develop structure-preserving numerical methods for the Serre-Green-Naghdi equations, a model for weakly dispersive free-surface waves. We consider both the classical form, requiring the inversion of a non-linear elliptic operator, and a hyperbolic approximation of the equations, allowing fully explicit time stepping. Systems for both flat and variable topography are studied. Our novel numerical methods conserve both the total water mass and the total energy. In addition, the methods for the original Serre-Green-Naghdi equations conserve the total momentum for flat bathymetry. For variable topography, all the methods proposed are well-balanced for the lake-at-rest state. We provide a theoretical setting allowing us to construct schemes of any kind (finite difference, finite element, discontinuous Galerkin, spectral, etc.) as long as summation-by-parts operators are available in the chosen setting. Energy-stable variants are proposed by adding a consistent high-order artificial viscosity term. The proposed methods are validated through a large set of benchmarks to verify all the theoretical properties. Whenever possible, comparisons with exact, reference numerical, or experimental data are carried out. The impressive advantage of structure preservation, and in particular energy preservation, to resolve accurately dispersive wave propagation on very coarse meshes is demonstrated by several of the tests.


翻译:本文针对弱色散自由表面波模型——Serre-Green-Naghdi方程,发展了结构保持数值方法。我们同时研究了经典形式(需对非线性椭圆算子求逆)和方程的双曲近似形式(允许完全显式时间步进),并分析了平坦与变化地形下的系统。我们提出的新型数值方法能同时守恒总水质量和总能量。此外,针对原始Serre-Green-Naghdi方程的方法在平坦地形下还能守恒总动量。对于变化地形,所有提出的方法对静水稳态均满足良好平衡性。我们建立了理论框架,只要在所选设定中存在分部求和算子,即可构建任意类型(有限差分、有限元、间断Galerkin、谱方法等)的格式。通过添加一致的高阶人工粘性项,提出了能量稳定变体。通过大量基准测试验证了所提方法的所有理论特性,并在可能情况下与精确解、参考数值解或实验数据进行了对比。多个测试表明,结构保持(特别是能量保持)特性在极粗网格上精确解析色散波传播方面具有显著优势。

0
下载
关闭预览

相关内容

牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
专知会员服务
33+阅读 · 2021年3月7日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年10月1日
VIP会员
最新内容
2025年大语言模型进展报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天13:30
多智能体协作机制
专知会员服务
0+阅读 · 今天13:26
非对称优势:美海军开发低成本反无人机技术
专知会员服务
4+阅读 · 今天4:39
《美战争部小企业创新研究(SBIR)计划》
专知会员服务
6+阅读 · 今天2:48
《军事模拟:将军事条令与目标融入AI智能体》
专知会员服务
9+阅读 · 今天2:43
【NTU博士论文】3D人体动作生成
专知会员服务
7+阅读 · 4月24日
以色列军事技术对美国军力发展的持续性赋能
专知会员服务
8+阅读 · 4月24日
《深度强化学习在兵棋推演中的应用》40页报告
专知会员服务
14+阅读 · 4月24日
《多域作战面临复杂现实》
专知会员服务
10+阅读 · 4月24日
《印度的多域作战:条令与能力发展》报告
专知会员服务
5+阅读 · 4月24日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员