The blue phases are fascinating and complex states of chiral liquid crystals which can be modeled by a comprehensive framework of the Landau-de theory, satisfying energy dissipation and maximum bound principle. In this paper, we develop and analyze first and second order exponential time differencing numerical schemes for the gradient flow of the chiral liquid crystal blue phases, which preserve the maximum bound principle and energy dissipation unconditionally at the semi-discrete level. The fully discrete schemes are obtained coupled with the Fourier spectral method in space. And we propose a novel matrix-form Helmholtz basis transformation method to diagonalize the combined operator of the Laplacian and the curl operator, which is a key step in the implementation of the proposed schemes. Then by constructing auxiliary functions, we drive the $L^\infty$ boundedness of the numerical solutions and obtain the energy dissipation and the error estimates in $L^2$ and $L^\infty$ norm. Various numerical experiments are presented to validate the theoretical results and demonstrate the effectiveness of the proposed methods in simulating the dynamics of blue phases in chiral liquid crystals.


翻译:蓝相是手性液晶中一类迷人且复杂的状态,可通过满足能量耗散与最大值有界原理的Landau-de Gennes理论框架进行建模。本文针对手性液晶蓝相的梯度流,发展并分析了一阶与二阶指数时间差分数值格式,这些格式在半离散层面无条件保持最大值有界原理与能量耗散。全离散格式通过结合空间上的傅里叶谱方法获得。我们提出了一种新颖的矩阵形式亥姆霍兹基变换方法,用于对角化拉普拉斯算子与旋度算子的组合算子,这是实现所提格式的关键步骤。随后通过构造辅助函数,我们推导了数值解的$L^\infty$有界性,并获得了$L^2$与$L^\infty$范数下的能量耗散与误差估计。多种数值实验被呈现以验证理论结果,并证明了所提方法在模拟手性液晶蓝相动力学中的有效性。

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