Many multiscale wave systems exhibit macroscale emergent behaviour, for example, the fluid dynamics of floods and tsunamis. Resolving a large range of spatial scales typically requires a prohibitively high computational cost. The small dissipation in wave systems poses a significant challenge to further developing multiscale modelling methods in multiple dimensions. This article develops and evaluates two families of equation-free multiscale methods on novel 2D staggered patch schemes, and demonstrates the power and utility of these multiscale schemes for weakly damped linear waves. A detailed study of sensitivity to numerical roundoff errors establishes the robustness of developed staggered patch schemes. Comprehensive eigenvalue analysis over a wide range of parameters establishes the stability, accuracy, and consistency of the multiscale schemes. Analysis of the computational complexity shows that the measured compute times of the multiscale schemes may be 10^5 times smaller than the compute time for the corresponding full-domain computation. This work provides the essential foundation for efficient large-scale simulation of challenging nonlinear multiscale waves.


翻译:许多多尺度的波浪系统表现出大型的突发行为,例如洪水和海啸的流体动态。解决大量空间尺度通常需要极高的计算成本。波浪系统的小散射对进一步发展多维的多尺度建模方法提出了重大挑战。本文章开发并评估了新型 2D 交错补丁办法中两种无方程式多尺度方法的组合,并展示了这些多尺度计划对微弱倾斜的线性波的威力和实用性。对数字交错错误的敏感度进行详细研究,确定了发达的交错补丁办法的稳健性。对多种参数的全面精度分析确定了多尺度制的稳定性、准确性和一致性。对计算复杂性的分析表明,计量的多尺度计划的计算时间可能比相应的全度计算计算所需的计算时间小10-5倍。这项工作为具有挑战性的非线性多尺度波的大规模模拟提供了必要的基础。

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