In this paper we propose a novel approach to discretize linear port-Hamiltonian systems while preserving the underlying structure. We present a finite element exterior calculus formulation that is able to mimetically represent conservation laws and cope with mixed open boundary conditions using a single computational mesh. The possibility of including open boundary conditions allows for modular composition of complex multi-physical systems whereas the exterior calculus formulation provides a coordinate-free treatment. Our approach relies on a dual-field representation of the physical system that is redundant at the continuous level but eliminates the need of mimicking the Hodge star operator at the discrete level. By considering the Stokes-Dirac structure representing the system together with its adjoint, which embeds the metric information directly in the codifferential, the need for an explicit discrete Hodge star is avoided altogether. By imposing the boundary conditions in a strong manner, the power balance characterizing the Stokes-Dirac structure is then retrieved at the discrete level via symplectic Runge-Kutta integrators based on Gauss-Legendre collocation points. Numerical experiments validate the convergence of the method and the conservation properties in terms of energy balance both for the wave and Maxwell equations in a three dimensional domain. For the latter example, the magnetic and electric fields preserve their divergence free nature at the discrete level.


翻译:在本文中,我们提出了一个在维护基本结构的同时将线形港口-汉堡系统分解开的新办法。我们提出了一个有限元素外部微积分配制,能够用单一的计算网格代表保护法和应对混合开放边界条件。纳入开放边界条件的可能性允许复杂的多物理系统的模块构成,而外部微积分配制则提供了无协调的处理。我们的方法依赖于物理系统的双场代表,这种代表在连续一级是多余的,但消除了在离散一级模仿霍杰星操作员的需要。我们考虑Stokes-迪拉克结构及其连接,它直接将光学信息嵌入一个共线性网格网格,完全避免了对明确离散的荷杰星的需要。通过以强烈的方式强加边界条件,从而在离散一级上检索出Stoks-Dirac结构的能量平衡,然后通过Symplecectic Runge-Kutta星操作员在离心层一级模拟模拟模拟霍杰-Dirac 结构结构及其连接,在离心-Legendre calalal-calal dealalalalalal laction laction 和后方阵列的磁化方法,在后方平质上,在最大节度的磁度上,在离差和最大地平位调调调调调制。

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