The analysis of structure-preserving numerical methods for the Poisson--Nernst--Planck (PNP) system has attracted growing interests in recent years. In this work, we provide an optimal rate convergence analysis and error estimate for finite difference schemes based on the Slotboom reformulation. Different options of mobility average at the staggered mesh points are considered in the finite-difference spatial discretization, such as the harmonic mean, geometric mean, arithmetic mean, and entropic mean. A semi-implicit temporal discretization is applied, which in turn results in a non-constant coefficient, positive-definite linear system at each time step. A higher order asymptotic expansion is applied in the consistency analysis, and such a higher order consistency estimate is necessary to control the discrete maximum norm of the concentration variables. In convergence estimate, the harmonic mean for the mobility average, which turns out to bring lots of convenience in the theoretical analysis, is taken for simplicity, while other options of mobility average would also lead to the desired error estimate, with more technical details involved. As a result, an optimal rate convergence analysis on concentrations, electric potential, and ionic fluxes is derived, which is the first such results for the structure-preserving numerical schemes based on the Slotboom reformulation. It is remarked that the convergence analysis leads to a theoretical justification of the conditional energy dissipation analysis, which relies on the maximum norm bounds of the concentration and the gradient of the electric potential. Some numerical results are also presented to demonstrate the accuracy and structure-preserving performance of the associated schemes.


翻译:对Poisson-Nernst-Planck-Planck(PNP)系统结构保留数字方法的分析近年来引起了越来越多的兴趣。在这项工作中,我们根据Slotboom的改写,为有限差异计划提供了最佳的速率趋同分析和误差估计。对交错网格点的移动平均数的不同选择在空间分化中加以考虑,例如调和平均数、几何平均数、算术平均数和引流平均数。采用半隐含的时间分解法的精确度,这反过来又导致每个时间步骤的非恒定系数、正确定线性线性系统。在一致性分析中,对有限差异计划采用更高顺序的顺差率趋同和误差估计。在趋同估计中,流动平均的调和平均值的平均值是为了简化,而其他流动性平均办法也会导致预期的错误估计,而相关的细节则是一些技术细节。在一致性分析中,以最优的顺差性递合率结构分析为根据电压值的弹性值分析,其最优性价比率分析,其结果是电压的整率,其最优的整数级结构是电压的整数级结构。

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