Coupled nonlinear system of reaction-diffusion equations describing multi-component (species) interactions with heterogeneous coefficients is considered. Finite volume method based approximation for the space is used to construct semi-discrete form for the computation of numerical solutions. Two techniques for time approximations, namely, a fully implicit (FI) and a semi-implicit (SI) schemes are examined. The fully implicit scheme is constructed using Newton's method and leads to the coupled system of equations on each nonlinear and time iterations which is computationally rather expensive. In order to minimize the latter hurdle, an efficient and fast multiscale solver is proposed for reaction-diffusion systems in heterogeneous media. To construct fast solver, we apply a semi-implicit scheme that leads to an uncoupled system for each individual component. To reduce the size of the discrete system, we present a multiscale model reduction technique. Multiscale solver is based on the uncoupled operator of the problem and constructed by the use of Generalized Multiscale Finite Element Method (GMsFEM). In GMsFEM we use a diffusion part of the operator and construct multiscale basis functions. We collect multiscale basis functions to construct a projection/prolongation matrix and generate reduced order model on the coarse grid for fast solution. Moreover, the prolongation operator is used to reconstruct a fine-scale solution and accurate approximation of the reaction part of the problem which then leads to a very accurate and computationally effective multiscale solver. We provide numerical results for two species competition test problems in two-dimensional domain with heterogeneous inclusions. We investigate the influence of number of the multiscale basis functions to the method accuracy and ability to work with different values of the diffusion coefficients.


翻译:用于计算数字解决方案的纯量方法近似法用于构建半分解形式。我们研究了两种时间近似法,即完全隐含(FI)和半隐含(SI)系统。完全隐含的公式是用牛顿的方法构建的,导致每个非线性和时间重复值的组合方程式,计算成本很高。为了尽量减少后者的精确度障碍,为混合媒体的反向扩散系统建议了一个高效和快速的多尺度求解器。为了构建快速解答器,我们采用了两种方法,即完全隐含(FI)和半隐含(SI)系统。为了缩小离散系统的规模,我们采用了多尺度模型缩小模型技术。多尺度解解系统基于问题未相交集的操作器,通过使用通用的多尺度精度电子元化方法(GMSFEMEM)构建一个高效和快速解析的求解方法。在GMFEM媒体中,我们使用一个快速解析(Oralalalality)的精度计算功能,用来在快速解化系统上,我们用一个缩缩缩缩缩缩化的解算法,我们用一个快速解算算法来构建一个快速解算法系统,我们用一个快速解算法的解的系统, 将快速解的计算法的流流化的流化的计算,我们用一个缩缩缩化的计算, 将一个运行的计算法的计算法的流化的流化的流化的计算,用来来构建一个缩到一个缩算法,用来来进行一个缩缩算法的计算。

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