Within the framework of $ p $-adaptive flux reconstruction, we aim to construct efficient polynomial multigrid ($p$MG) preconditioners for implicit time integration of the Navier--Stokes equations using Jacobian-free Newton--Krylov (JFNK) methods. We hypothesise that in pseudo transient continuation (PTC), as the residual drops, the frequency of error modes that dictates the convergence rate gets higher and higher. We apply nonlinear $p$MG solvers to stiff steady problems at low Mach number ($\mathrm{Ma}=10^{-3}$) to verify our hypothesis. It is demonstrated that once the residual drops by a few orders of magnitude, improved smoothing on intermediate $ p $-sublevels will not only maintain the stability of $ p $MG at large time steps but also improve the convergence rate. For the unsteady Navier--Stokes equations, we elaborate how to construct nonlinear preconditioners using pseudo transient continuation for the matrix-free generalized minimal residual (GMRES) method used in explicit first stage, singly diagonally implicit Runge--Kutta (ESDIRK) methods, and linearly implicit Rosenbrock--Wanner (ROW) methods. Given that at each time step the initial guess in the nonlinear solver is not distant from the converged solution, we recommend a two-level $p\{p_0\text{-}p_0/2\} $ or even $ p\{p_0\text{-}(p_0-1)\} $ $p$-hierarchy for optimal efficiency with a matrix-based smoother on the coarser level based on our hypothesis. It is demonstrated that insufficient smoothing on intermediate $p$-sublevels will deteriorate the performance of $p$MG preconditioner greatly. (See full abstract in the paper.)
翻译:在 p p 美元适应通量重建的框架中, 我们的目标是构建高效的 多边- 多边网格( p$ MG), 用于 Navier- Stokes 等式使用 Jacobian- 无牛顿- Krylov (JFNK) 方法的隐含时间整合。 我们假设, 在假的瞬间延续( PTC) 中, 导致趋同率的偏差模式频率越来越高。 我们使用非线性价廉的 MG 解答器在低 Mach 数 ( mathrm{ Ma ⁇ 10- 3} 美元) 上, 来验证我们的假设。 事实证明, 一旦余量减少几个数量, 中间 $ p $ 的平滑动( PMG) 的频率会随着剩余量的下降而提高。 对于不稳定的纳维- Stokes 方方程式, 我们如何用假的透明透明透明透明透明 最低剩余( GMERES) 方法在明确的第一阶段, 水平上, 软性 平- 平流 平流- 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 的 平流 平流 平流 的 平流 平流 平流 平流 平流 平流 的 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平流 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平 平