Due to its highly oscillating solution, the Helmholtz equation is numerically challenging to solve. To obtain a reasonable solution, a mesh size that is much smaller than the reciprocal of the wavenumber is typically required (known as the pollution effect). High order schemes are desirable, because they are better in mitigating the pollution effect. In this paper, we present a high order compact finite difference method for 2D Helmholtz equations with singular sources, which can also handle any possible combinations of boundary conditions (Dirichlet, Neumann, and impedance) on a rectangular domain. Our method achieves a sixth order consistency for a constant wavenumber, and a fifth order consistency for a piecewise constant wavenumber. To reduce the pollution effect, we propose a new pollution minimization strategy that is based on the average truncation error of plane waves. Our numerical experiments demonstrate the superiority of our proposed finite difference scheme with reduced pollution effect to several state-of-the-art finite difference schemes, particularly in the critical pre-asymptotic region where $\textsf{k} h$ is near $1$ with $\textsf{k}$ being the wavenumber and $h$ the mesh size.


翻译:由于其高度振荡性溶液, Helmholtz 等方程式在数字上是难以解决的。 要找到合理的解决方案,通常需要的是比波数对等更小得多的网状尺寸(称为污染效应)。 高顺序方案是可取的, 因为它们在减轻污染效应方面效果更好。 在本文中, 我们为2D Helmholtz 等方程式和单源提供了一个高顺序紧凑的有限差异方法, 它也可以处理矩形域边界条件( Drichlet, Neumann, 和阻力)的任何可能的组合。 我们的方法在恒定波数中达到第六个顺序的一致。 为了减少污染效应, 我们提出了一个新的污染最小化战略, 以平面波的平均调误差为基础。 我们的数字实验显示了我们提议的有限差异方案优势, 将污染效应降低到若干州级的有限差异方案, 特别是在关键的防患前区域, $\k$, hsxxxx美元和maxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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