Charge dynamics play essential role in many practical applications such as semiconductors, electrochemical devices and transmembrane ion channels. An Amp\'{e}re-Nernst-Planck (ANP) model that describes charge dynamics via concentrations and the electric displacement is able to take effects beyond mean-field approximations into account. To obtain physically faithful numerical solutions, we develop a structure-preserving numerical method for the ANP model whose solution has several physical properties of importance. By the Slotboom transform with entropy-mean approximations, a positivity preserving scheme with Scharfetter-Gummel fluxes is derived for the generalized Nernst-Planck equations. To deal with the curl-free constraint, the dielectric displacement from the Amp\'{e}re equation is further updated with a local relaxation algorithm of linear computational complexity. We prove that the proposed numerical method unconditionally preserves the mass conservation and the solution positivity at the discrete level, and satisfies the discrete energy dissipation law with a mild time-step restriction. Numerical experiments verify that our numerical method has expected accuracy and structure-preserving properties. Applications to ion transport with large convection, arising from boundary-layer electric field and Born solvation interactions, further demonstrate that the ANP formulation with the proposed numerical scheme has attractive performance and can effectively describe charge dynamics with large convection of high numerical cell P\'{e}clet numbers.
翻译:在半导体、电化学装置和转基因离子信道等许多实际应用中,电源动态起着不可或缺的作用。 描述通过浓度和电流迁移的电源动态的Amp\'{e}re- Nernst- Planck(ANP)模型能够将中值近似效果纳入考虑。 为了获得物理上可靠的数字解决方案, 我们为ANP模型开发了一个结构保护数字方法, 该模型的解决方案具有若干重要物理特性。 通过Slotboom转换, 以正弦值近似转换, 一种用Sharfetter- Gummml通量的假冒保存计划, 用于通用的Nernst- Planck方程式。 要处理无曲线限制和电离子迁移的电流模式, Amp\\\{errre等方程式的电流变化将进一步更新, 以线性计算复杂性的本地通量算算法。 我们证明, 拟议的数字方法无条件维护离子级水平的质量保护和溶性, 满足离散能量分解法, 并有轻微的时间限制。 数值实验性实验证实, 我们的数字- 的电解- 结构- 结构- 结构- 结构- 结构- 结构- 结构- 和数字结构- 构造 将 将 将 将 将 将 将 将 将 向轨变形变形变形变形变形变形 性 性 性 化法 化法 化法 化法 化法 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向 向