We present a novel hydrostatic and non-hydrostatic equilibria preserving Point-Average-Moment PolynomiAl-interpreted (PAMPA) method for solving the one-dimensional hyperbolic balance laws, with applications to the shallow water models including the Saint--Venant system with the Manning friction term and rotating shallow water equations. The idea is based on a global flux quadrature formulation, in which the discretization of the source terms is obtained from the derivative of and additional flux function computed via high order quadrature of the source term. The reformulated system is quasi-conservative with global integral terms computed using Gauss--Lobatto quadrature nodes. The resulting method is capable of preserving a large family of smooth moving equilibria: supercritical and subcritical flows, in a super-convergent manner. We also show that, by an appropriate quadrature strategy for the source, we can exactly preserve the still water states. Moreover, to guarantee the positivity of water depth and eliminate the spurious oscillations near shocks, we blend the high-order PAMPA schemes with the first order local Lax--Friedrichs schemes using the method developed in [R. Abgrall, M. Jiao, Y. Liu, and K. Wu, arXiv preprint arXiv:2410.14292, 2024]. The first-order schemes are designed to preserve the still water equilibria and positivity of water height, as well as to deal with wet-dry fronts. Extensive numerical experiments are tested to validate the advantages and robustness of the proposed scheme.


翻译:本文提出了一种新颖的静水与非静水平衡保持的点平均矩多项式插值(PAMPA)方法,用于求解一维双曲型平衡律方程,并应用于包含曼宁摩擦项的圣维南系统及旋转浅水方程等浅水模型。该方法基于全局通量积分公式构建,其中源项的离散化通过源项的高阶积分计算得到附加通量函数的导数实现。重构后的系统为准守恒形式,其全局积分项采用高斯-洛巴托积分节点计算。所提方法能以超收敛方式保持包括超临界与亚临界流在内的广泛光滑动平衡态。我们还证明,通过对源项采用适当的积分策略,可精确保持静水稳态。此外,为保障水深正定性并消除激波附近的伪振荡,我们将高阶PAMPA格式与一阶局部拉克斯-弗里德里希斯格式进行融合,该方法基于[R. Abgrall, M. Jiao, Y. Liu, K. Wu, arXiv预印本arXiv:2410.14292, 2024]所发展的技术。一阶格式设计用于保持静水平衡态与水高的正定性,并能处理干湿交界面。通过大量数值实验验证了所提格式的优越性与鲁棒性。

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