Numerical approximation of the Boltzmann equation presents a challenging problem due to its high-dimensional, nonlinear, and nonlocal collision operator. Among the deterministic methods, the Fourier-Galerkin spectral method stands out for its relative high accuracy and possibility of being accelerated by the fast Fourier transform. However, this method requires a domain truncation which is unphysical since the collision operator is defined in $\mathbb{R}^d$. In this paper, we introduce a Petrov-Galerkin spectral method for the Boltzmann equation in the unbounded domain. The basis functions (both test and trial functions) are carefully chosen mapped Chebyshev functions to obtain desired convergence and conservation properties. Furthermore, thanks to the close relationship of the Chebyshev functions and the Fourier cosine series, we are able to construct a fast algorithm with the help of the non-uniform fast Fourier transform (NUFFT). We demonstrate the superior accuracy of the proposed method in comparison to the Fourier spectral method through a series of 2D and 3D examples.


翻译:Boltzmann 方程式的数值近似是一个具有挑战性的问题,因为它具有高维、非线性和非局部碰撞操作员。在确定性方法中,Fourier-Galerkin光谱方法突出显示其相对高的精确度和被快速Fourier变形加速的可能性。然而,这种方法需要一种非物理的域轨迹,因为碰撞操作员以$mathbb{R ⁇ d$来定义碰撞操作员。在本文中,我们引入了一种Petrov-Galerkin光谱方法,用于无界域的Boltzmann方程式。基础功能(测试和试验功能)被仔细选定为切比谢夫功能,以获得预期的趋同和保存特性。此外,由于Chebyshev功能和Fourier cosine系列关系密切,我们能够在非单形快速变形Fourier (NUFFT) 的帮助下建立一个快速算法。我们通过一系列2D和3D示例,展示了拟议方法与四比光光谱法的精确性方法的精确性。

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