A novel numerical approach to solving the shallow-water equations on the sphere using high-order numerical discretizations in both space and time is proposed. A space-time tensor formalism is used to express the equations of motion covariantly and to describe the geometry of the rotated cubed-sphere grid. The spatial discretization is done with the direct flux reconstruction method, which is an alternative formulation to the discontinuous Galerkin approach. The equations of motion are solved in differential form and the resulting discretization is free from quadrature rules. It is well known that the time step of traditional explicit methods is limited by the phase velocity of the fastest waves. Exponential integration is employed to enable integrations with significantly larger time step sizes and improve the efficiency of the overall time integration. New multistep-type exponential propagation iterative methods of orders 4, 5 and 6 are constructed and applied to integrate the shallow-water equations in time. These new schemes enable time integration with high-order accuracy but without significant increases in computational time compared to low-order methods. The exponential matrix functions-vector products used in the exponential schemes are approximated using the complex-step approximation of the Jacobian in the Krylov-based KIOPS (Krylov with incomplete orthogonalization procedure solver) algorithm. Performance of the new numerical methods is evaluated using a set of standard benchmark tests.


翻译:提出了在空间和时间使用高顺序数字分解规则解决球体浅水方程式的新数字方法。 使用时空超时形式化来表达运动的方程式,并描述旋转立方体球网格的几何结构。 空间分解方法采用直接通量重建方法,这是不连续加勒金方法的一种替代配方。 运动方程式以不同形式解决,由此产生的分解不受二次曲线规则的限制。 众所周知,由于速度最快的波的阶段速度,传统清晰方法的时间步骤受到限制。 指数矩阵集集成用于使时间步数大得多的整合,并提高整体时间整合的效率。 正在建造并应用第4、5和6号命令的新的多步式指数传播迭接法,以及时整合浅水方程方程式。 这些新办法使得时间与高顺序精确度相融合,但与低级方法相比,计算时间没有明显增加。 使用指数级矩阵函数显示器产品在加速矩阵矩阵化计划中使用的基数级水平标准测试, 使用复杂的Klovorbal- orbal oral ormainal orgal practal practal practal practal practal practal practal practal press pressal imal orpal

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