In this paper, we propose and analyze a positivity-preserving, energy stable numerical scheme for certain type reaction-diffusion systems involving the Law of Mass Action with the detailed balance condition. The numerical scheme is constructed based on a recently developed energetic variational formulation, in which the reaction part is reformulated in terms of reaction trajectories. The fact that both the reaction and the diffusion parts dissipate the same free energy opens a path of an energy stable, operator splitting scheme for these systems. At the reaction stage, we solve equations of reaction trajectories by treating all the logarithmic terms in the reformulated form implicitly due to their convex nature. The positivity-preserving property and unique solvability can be theoretically proved, based on the singular behavior of the logarithmic function around the limiting value. Moreover, the energy stability of this scheme at the reaction stage can be proved by a careful convexity analysis. Similar techniques are used to establish the positivity-preserving property and energy stability for the standard semi-implicit solver at the diffusion stage. As a result, a combination of these two stages leads to a positivity-preserving and energy-stable numerical scheme for the original reaction-diffusion system. To our best knowledge, it is the first time to report an energy-dissipation-law-based operator splitting scheme to a nonlinear PDE with variational structures. Several numerical examples are presented to demonstrate the robustness of the proposed operator splitting scheme.


翻译:在本文中,我们提出并分析一个包含《质量行动法》和详细平衡条件的某种类型反应-扩散系统的假设性保存、能源稳定的数字方案。数字方案是根据最近开发的动态变异配方构建的,其中反应部分按反应轨迹重新拟订。反应部分和扩散部分消散了同样的自由能源,为这些系统开辟了一条能源稳定、操作员分裂计划的道路。在反应阶段,我们通过处理重新拟订时的所有对数术语,暗含其共性,来解决反应轨迹的方程式。假设性-保留属性和独特的溶解性可以理论上证明,其依据是围绕限制价值的对数函数的奇异行为。此外,在反应阶段,这个计划的能源稳定性可以通过仔细的调和调和分析来证明。在反应阶段,为了标准的半不精确溶解器,我们采用类似的技术来建立基于真实性-保存地产和能源稳定性的方程式。作为结果,两个原始-保存属性和独特的溶解性结构的组合,是原始-数字-数字-结构的组合,一个为原始-数字-数字-数字-数字-结构的混合-结构的组合,以显示我们原-数字-数字-数字-数字-数字-数字-数字-数字-数字-数字-数字-结构。

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