Approximate multidimensional Riemann solvers are essential building blocks in designing globally constraint-preserving finite volume time domain (FVTD) and discontinuous Galerkin time domain (DGTD) schemes for computational electrodynamics (CED). In those schemes, we can achieve high-order temporal accuracy with the help of Runge-Kutta or ADER time-stepping. This paper presents the design of a multidimensional approximate Generalized Riemann Problem (GRP) solver for the first time. The multidimensional Riemann solver accepts as its inputs the four states surrounding an edge on a structured mesh, and its output consists of a resolved state and its associated fluxes. In contrast, the multidimensional GRP solver accepts as its inputs the four states and their gradients in all directions; its output consists of the resolved state and its corresponding fluxes and the gradients of the resolved state. The gradients can then be used to extend the solution in time. As a result, we achieve second-order temporal accuracy in a single step. In this work, the formulation is optimized for linear hyperbolic systems with stiff, linear source terms because such a formulation will find maximal use in CED. Our formulation produces an overall constraint-preserving time-stepping strategy based on the GRP that is provably L-stable in the presence of stiff source terms. We present several stringent test problems, showing that the multidimensional GRP solver for CED meets its design accuracy and performs stably with optimal time steps. The test problems include cases with high conductivity, showing that the beneficial L-stability is indeed realized in practical applications.


翻译:近似的多维黎曼求解器是设计计算电动力学(CED)的全局约束保持有限体积时间域(FVTD)和间断Galerkin时间域(DGTD)方案的基本构件。在这些方案中,我们可以借助Runge-Kutta或ADER时间步进实现高阶时间精度。本文首次提出了多维广义黎曼问题(GRP)求解器的设计。多维黎曼求解器接受围绕结构网格的边的四个状态作为输入,而输出为已解状态及其相关通量。与此不同,多维GRP求解器接受四个状态及其在所有方向上的梯度作为输入,其输出包括已解状态及其相应的通量和解状态的梯度。然后可以使用这些梯度来扩展解的时间。因此,我们在单步中达到了二阶时间精度。在这项工作中,该公式针对具有坚硬,线性源项的线性双曲系统进行了优化,因为这样的公式在CED中会得到最大的应用。我们的公式基于GRP产生了全局约束保持时间步进策略,并在存在坚硬源项时被证明L-稳定。我们提出了几个严格的测试问题,表明CED中的多维GRP求解器满足其设计精度,并且在最优时间步长下稳定运行。测试问题包括高电导情况,表明有益的L-稳定性在实际应用中确实得到实现。

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