Fully implicit Runge-Kutta (IRK) methods have many desirable accuracy and stability properties as time integration schemes, but high-order IRK methods are not commonly used in practice with large-scale numerical PDEs because of the difficulty of solving the stage equations. This paper introduces a theoretical and algorithmic framework for solving the nonlinear equations that arise from IRK methods (and discontinuous Galerkin discretizations in time) applied to nonlinear numerical PDEs, including PDEs with algebraic constraints. Several new linearizations of the nonlinear IRK equations are developed, offering faster and more robust convergence than the often-considered simplified Newton, as well as an effective preconditioner for the true Jacobian if exact Newton iterations are desired. Inverting these linearizations requires solving a set of block 2x2 systems. Under quite general assumptions, it is proven that the preconditioned 2x2 operator's condition number is bounded by a small constant close to one, independent of the spatial discretization, spatial mesh, and time step, and with only weak dependence on the number of stages or integration accuracy. Moreover, the new method is built using the same preconditioners needed for backward Euler-type time stepping schemes, so can be readily added to existing codes. The new methods are applied to several challenging fluid flow problems, including the compressible Euler and Navier Stokes equations, and the vorticity-streamfunction formulation of the incompressible Euler and Navier Stokes equations. Up to 10th-order accuracy is demonstrated using Gauss IRK, while in all cases 4th-order Gauss IRK requires roughly half the number of preconditioner applications as required by standard SDIRK methods.


翻译:完全隐含的 Ruge- Kutta ( IRK) 方法随着时间整合计划而具有许多可取的准确性和稳定性,但是在大规模数字 PDE 的实践中,由于难以解决阶段方程式,在大规模数字 PDE 中,高级的IRK 方法并不常用,因为很难解决阶段方程式。 本文引入了理论和算法框架来解决由IRK 方法( 和不连续的 Galerkin 分解) 产生的非线性方程式。 在相当一般的假设下,2x2 操作者的条件号被一个小的恒定值捆绑在一起, 与空离线性IRK 方程式的半线性直线化、 提供比经常考虑的简化的牛顿( Newton) 程序更快和更强的趋近的趋近的趋近, 并且如果需要精确的就是真正的 Jacobian, 那么, Stal- durder 需要的直径直径直方程式的直径直径直径直线性和直径直径直径直径直径直径直的直的直直径直径直径直径直径直径直径直直直的直直直径直直的直直直直直直直直的直的直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直

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