This paper presents the first systematic study on the fundamental problem of seeking optimal cell average decomposition (OCAD), which arises from constructing efficient high-order bound-preserving (BP) numerical methods within Zhang--Shu framework. Since proposed in 2010, Zhang--Shu framework has attracted extensive attention and been applied to developing many high-order BP discontinuous Galerkin and finite volume schemes for various hyperbolic equations. An essential ingredient in the framework is the decomposition of the cell averages of the numerical solution into a convex combination of the solution values at certain quadrature points. The classic CAD originally proposed by Zhang and Shu has been widely used in the past decade. However, the feasible CADs are not unique, and different CAD would affect the theoretical BP CFL condition and thus the computational costs. Zhang and Shu only checked, for the 1D $\mathbb P^2$ and $\mathbb P^3$ spaces, that their classic CAD based on the Gauss--Lobatto quadrature is optimal in the sense of achieving the mildest BP CFL conditions. In this paper, we establish the general theory for studying the OCAD problem on Cartesian meshes in 1D and 2D. We rigorously prove that the classic CAD is optimal for general 1D $\mathbb P^k$ spaces and general 2D $\mathbb Q^k$ spaces of arbitrary $k$. For the widely used 2D $\mathbb P^k$ spaces, the classic CAD is not optimal, and we establish the general approach to find out the genuine OCAD and propose a more practical quasi-optimal CAD, both of which provide much milder BP CFL conditions than the classic CAD. As a result, our OCAD and quasi-optimal CAD notably improve the efficiency of high-order BP schemes for a large class of hyperbolic or convection-dominated equations, at little cost of only a slight and local modification to the implementation code.


翻译:本文展示了第一次系统化研究,探讨在张- 舒框架内构建高效高阶约束保存(BP)数字方法(BP)后产生的最佳细胞平均分解(OCAD)这一根本问题。自2010年提出以来,张- 舒框架吸引了广泛的关注,并被用于为各种双曲方程式开发许多高阶 BP 间断 Galerkin 和有限体积方案。框架的一个基本成分是将数字解决方案的单元格平流平均值分解成在某些方形点的解决方案值的混和。张和舒最初提出的经典CAAD 。然而,可行的CAD并非独一无二,不同的CAD会影响理论性BP CFL条件,从而影响计算成本。张和舒只是检查了1D $\ mathb P% 2 和 美元平流方程空间的纯基平流平价解决方案,它们根据高压平面平面方块平面方块平面平面平面平面的CAD, 最优化的CAD 和我们平面平面的CAD 。

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