Global spectral analysis (GSA) is used as a tool to test the accuracy of numerical methods with the help of canonical problems of convection and convection-diffusion equation which admit exact solutions. Similarly, events in turbulent flows computed by direct numerical simulation (DNS) are often calibrated with theoretical results of homogeneous isotropic turbulence due to Kolmogorov, as given in Turbulence -U. Frisch, Cambridge Univ. Press, UK (1995). However, numerical methods for the simulation of this problem are not calibrated, as by using GSA of convection and/or convection-diffusion equation. This is with the exception in "A critical assessment of simulations for transitional and turbulence flows-Sengupta, T.K., In Proc. of IUTAM Symp. on Advances in Computation, Modeling and Control of Transitional and Turbulent Flows, pp 491-532, World Sci. Publ. Co. Pte. Ltd., Singapore (2016)", where such a calibration has been advocated with the help of convection equation. For turbulent flows, an extreme event is characterized by the presence of length scales smaller than the Kolmogorov length scale, a heuristic limit for the largest wavenumber present without being converted to heat. With growing computer power, recently many simulations have been reported using a pseudo-spectral method, with spatial discretization performed in Fourier spectral space and a two-stage, Runge-Kutta (RK2) method for time discretization. But no analyses are reported to ensure high accuracy of such simulations. Here, an analysis is reported for few multi-stage Runge-Kutta methods in the Fourier spectral framework for convection and convection-diffusion equations. We identify the major source of error for the RK2-Fourier spectral method using GSA and also show how to avoid this error and specify numerical parameters for achieving highest accuracy possible to capture extreme events in turbulent flows.


翻译:全球光谱分析(GSA)被作为一种工具,用于测试数字方法的准确性,同时利用精确的调和和(或)调和-调和-调和等离子等等等等等卡问题,来测试数字方法的准确性。同样,通过直接数字模拟(DNS)计算出的动荡流的理论性结果往往与科尔莫戈洛夫(Colmogorov)给出的同质异变的理论性结果相校准。Turbulence-U.Frisch,剑桥Universit Unical. Press,UK(1995年)。然而,模拟这一问题的数值方法没有校准,因为使用调和(或)调和(或)对调和(调和)调和(调和)调和(调和(调)变)等等等等等式的精确性方法。

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