We propose and analyze a first-order finite difference scheme for the functionalized Cahn-Hilliard (FCH) equation with a logarithmic Flory-Huggins potential. The semi-implicit numerical scheme is designed based on a suitable convex-concave decomposition of the FCH free energy. We prove unique solvability of the numerical algorithm and verify its unconditional energy stability without any restriction on the time step size. Thanks to the singular nature of the logarithmic part in the Flory-Huggins potential near the pure states $\pm 1$, we establish the so-called positivity-preserving property for the phase function at a theoretic level. As a consequence, the numerical solutions will never reach the singular values $\pm 1$ in the point-wise sense and the fully discrete scheme is well defined at each time step. Next, we present a detailed optimal rate convergence analysis and derive error estimates in $l^{\infty}(0,T;L_h^2)\cap l^2(0,T;H^3_h)$ under a linear refinement requirement $\Delta t\leq C_1 h$. To achieve the goal, a higher order asymptotic expansion (up to the second order temporal and spatial accuracy) based on the Fourier projection is utilized to control the discrete maximum norm of solutions to the numerical scheme. We show that if the exact solution to the continuous problem is strictly separated from the pure states $\pm 1$, then the numerical solutions can be kept away from $\pm 1$ by a positive distance that is uniform with respect to the size of the time step and the grid. Finally, a few numerical experiments are presented. Convergence test is performed to demonstrate the accuracy and robustness of the proposed numerical scheme. Pearling bifurcation, meandering instability and spinodal decomposition are observed in the numerical simulations.


翻译:我们为功能化的 Cahn- Hilliard (FCH) 方程式提出并分析一级限差异方案。 半隐含数字方案的设计基于FCH 自由能量的合适的 convex- concave 分解值。 我们证明数字算法的独特可溶性, 并核查其无条件的能量稳定性, 不受时间步数的限制。 由于在纯状态附近 Flory- Huggins (FCH) 的对数部分的独特性质, 我们为阶段函数设定了所谓的正态 Flory- Huggins (FCH) 潜在值。 我们为此函数设定了在理论水平上水平上的纯正态默认值 。 数字解决方案永远不会达到单值 $\ pm 1 并且完全离差值 。 我们给出了详细的优化率分析, 然后以 $nelftyfty 表示错误估计值为 $@ pm2, 1; H_ 3_h) 在一个直线性公式下, 直线性推缩缩缩缩缩缩缩图显示一个直径直径直径的直径直径直径, 直径直径直径直径直径直到 直到直径直径直径直径直到直到直径直到直到直到直到直至直至直至直方方方方方方。

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