Adaptive time splitting method for multi-scale evolutionary partial differential equations
- Others:
- Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (JAD) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS) ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Laboratoire d'Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (EM2C) ; CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Saclay (COmUE)
- Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ) ; École Centrale de Lyon (ECL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon) ; Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Numerical Medicine (NUMED) ; Unité de Mathématiques Pures et Appliquées (UMPA-ENSL) ; École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
- This research was supported by a fundamental project grant from ANR (French National Research Agency - ANR Blancs): Séchelles} (project leader S. Descombes), and by a DIGITEO RTRA project: MUSE (project leader M. Massot). The support of a Ph.D. grant from Mathematics (INSMI) and Engineering (INSIS) Institutes of CNRS is gratefully acknowledged ad well as the the support by INCA project (National Initiative for Advanced Combustion - CNRS - ONERA - SAFRAN).
Citation
Description
This paper introduces an adaptive time splitting technique for the solution of stiff evolutionary PDEs that guarantees an effective error control of the simulation, independent of the fastest physical time scale for highly unsteady problems. The strategy considers a second order Strang method and another lower order embedded splitting scheme that takes into account potential loss of order due to the stiffness featured by time-space multi-scale phenomena. The scheme is then built upon a precise numerical analysis of the method and a complementary numerical procedure, conceived to overcome classical restrictions of adaptive time stepping schemes based on lower order embedded methods, whenever asymptotic estimates fail to predict the dynamics of the problem. The performance of the method in terms of control of integration errors is evaluated by numerical simulations of stiff propagating waves coming from nonlinear chemical dynamics models as well as highly multi-scale nanosecond repetitively pulsed gas discharges, which allow to illustrate the method capabilities to consistently describe a broad spectrum of time scales and different physical scenarios for consecutive discharge/post-discharge phases.
Abstract
Accepted to publication in Confluentes Mathematici. Dedication : Cet article est dédié à la mémoire de Michelle Schatzman. Spécialiste des méthodes de décomposition d'opérateur, sa grande clairvoyance scientifique lui a permis d'orienter plusieurs chercheurs débutants sur ce sujet à un moment où il pouvait sembler achevé. Michelle aimait dire qu'il n'y a pas de frontière entre les branches des mathématiques et que seule une grande culture permet de naviguer dans cette forêt et d'y trouver les bonnes techniques pour résoudre un problème. Ce travail est un hommage; à la croisée des mathématiques et de leurs applications effectives, il tente d'illustrer cette assertion. Michelle, ton dynamisme, ton humour et ton plaisir à parler mathématiques nous manquent.
Abstract
International audience
Additional details
- URL
- https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00587036
- URN
- urn:oai:HAL:hal-00587036v2
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- UNICA