This article is devoted to the construction of a new class of semi-Lagrangian (SL) schemes with implicit-explicit (IMEX) Runge-Kutta (RK) time stepping for PDEs involving multiple space-time scales. The semi-Lagrangian (SL) approach fully couples the space and time discretization, thus making the use of RK strategies particularly difficult to be combined with. First, a simple scalar advection-diffusion equation is considered as a prototype PDE for the development of a high order formulation of the semi-Lagrangian IMEX algorithms. The advection part of the PDE is discretized explicitly at the aid of a SL technique, while an implicit discretization is employed for the diffusion terms. Second, the SL-IMEX approach is extended to deal with hyperbolic systems with multiple scales, including balance laws, that involve shock waves and other discontinuities. A novel SL technique is proposed, which is based on the integration of the governing equations over the space-time control volume which arises from the motion of each grid point. High order of accuracy is ensured by the usage of IMEX RK schemes combined with a Cauchy-Kowalevskaya procedure that provides a predictor solution within each space-time element. The one-dimensional shallow water equations (SWE) are chosen to validate the new conservative SL-IMEX schemes, where convection and pressure fluxes are treated explicitly and implicitly, respectively. The asymptotic-preserving (AP) property of the novel schemes is also studied considering a relaxation PDE system for the SWE. A large suite of convergence studies for both the non-conservative and the conservative version of the novel class of methods demonstrates that the formal order of accuracy is achieved and numerical evidences about the conservation property are shown. The AP property for the corresponding relaxation system is also investigated.


翻译:文章专门用于建造一个新的半Lagrangian(SL)计划类别,其中含有隐含解释(IMEX) Runge-Kutta(RK) 用于使用多时空尺度的PDE(PDE) 时间阶。 半Lagrangian(SL) 方法将空间和时间分解完全结合, 从而使使用RK战略特别难以结合。 首先, 简单的缩略式对冲转换公式被视为一个原型PDE, 用于开发半Lagrangian IMEX算法的高序配方。 PDE 的吸附部分在SL技术的帮助下, 并使用隐含的离散式组合。 第二, SL- IMEX 方法扩大, 处理具有多重尺度的超振动系统, 包括震波波和其他不均。 提出了一个新的SLL技术, 其基础是将所选的调制方程式纳入从每个电网点运动运动产生的时空控制量的调方程式。 PDE的吸附部分, 而Slalevalalal-alalalalalal- salalalal- 也分别用于Syal- saleval- salal- 和Syalview 一种Syalview 。

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