The accurate and efficient evaluation of potentials with singular or weakly-singular kernels is of great importance for the numerical solution of partial differential equations. When the integration domain of the potential is irregular and is discretized by an unstructured mesh, the function spaces of near field and self-interactions are non-compact, and, thus, their computations cannot be easily accelerated. In this paper, we propose several novel and complementary techniques for accelerating the evaluation of potentials over unstructured meshes. Firstly, we observe that the standard approximation of the near field by a ball or a triangle often leads to an over-estimated near field. We rigorously characterize the geometry of the near field, and show that this analysis can be used to reduce the number of near field interaction computations dramatically. Secondly, as the near field can be made arbitrarily small by increasing the order of the far field quadrature rule, the expensive near field interaction computation can be efficiently offloaded onto the FMM-based far field interaction computation, which leverages the computational efficiency of highly optimized parallel FMM libraries. Finally, we observe that the usual arrangement in which the interpolation nodes are placed on the same mesh over which the potential is integrated results in an artificially large number of near field interaction calculations, since the discretization points tend to cluster near the boundaries of mesh elements. We show that the use of a separate staggered mesh for interpolation effectively reduces the cost of near field and self-interaction computations. Besides these contributions, we present a robust and extensible framework for the evaluation and interpolation of 2-D volume potentials over complicated geometries. We demonstrate the effectiveness of the techniques with several numerical experiments.


翻译:精确和高效地评估单项或微弱的内核的潜力对于部分差异方程式的数值解决方案非常重要。当潜力的整合领域不规则,并且由非结构化网格分解时,近场的功能空间和自我互动的功能空间是不复杂的,因此,其计算不易加快。在本文件中,我们提出一些新颖和互补的技巧,以加速评估无结构的网格的潜力。首先,我们观察到球或三角形对近场的标准近似往往导致对近场的过高估计。我们严格描述近场的几何方法,并表明可以使用这一分析来减少近场的实地互动计算数量。第二,由于近场可以任意地缩小,增加远场的四重线规则的顺序,近场互动计算费用昂贵的计算方法可以被高效率地压在FMM公司远端的远场互动计算中,从而利用高度优化的平行FMM公司图书馆的计算效率。最后,我们观察到近场的几度对近场的测算法的测算方法,并显示接近于两极间线的计算结果的计算结果。我们在实地的测算中显示, 的测算中,这些测算结果的测算结果的数值值与误差值是比。

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