شبیه‌سازی عددی امواج پوانکاره با استفاده از روش‌های فشرده مرکزی و یک-سویه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد اقیانوس‌شناسی فیزیکی، گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، ایران

2 استاد گروه فیزیک فضا، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، ایران

چکیده

چندین روش عددی برای حل معادلات آب کم­عمق خطی معرفی شده‌اند که انتشار امواج پوانکاره را در دامنه متناهی یک­بعدی توصیف می­کنند. برای این مسئله یک راه‌حل تحلیلی شناخته شده است که با ارتفاع اولیه ناپیوسته اجرا می­شود و امکان ارزیابی دقت و استحکام هر روش عددی و به‌ویژه توانایی آنها را در تشخیص ناپیوستگی­های مسیر بدون نوسانات کاذب فراهم می­کند. کار حاضر به بررسی و اِعمال روش­های تفاضل متناهی فشرده مرکزی و یک­سویه برای حل عددی معادلات حاکم بر امواج پوانکاره می­پردازد. برای این منظور، گسسته­سازی مکانی با روش­های فشرده مرکزی و یک­سویه و گسسته­سازی زمانی با روش رونگ- کوتا ارائه می­شود. ابتدا معادله فرارفت یک­بعدی که حل تحلیلی دارد، با استفاده از روش­های فوق گسسته­سازی و عملکرد و دقت عددی روش­ها سنجیده می­شود. سپس معادلات حاکم بر امواج پوانکاره با استفاده از روش­های مذکور حل عددی می­شود و برای دو شرط اولیه که نقاط ناپیوسته دارند، نتایج مقایسه می­شود. در نهایت، حل عددی روش­های فشرده مرکزی و یک­سویه با یکدیگر مقایسه و نتایج آن تجزیه و تحلیل می­شود. روش­های فشرده مرکزی و یک­سویه در تشخیص و شناسایی ناپیوستگی­های مسیر به‌خوبی عمل می­کنند. از بین روش­های به­کار­گرفته­شده، روش فشرده یک­سویه مرتبه پنجم خطای برش مرتبه پنجم دارد و همچنین ضریب عددی قبل خطای برش آن عددی بسیار کوچک­تر است که نسبت به دیگر روش­های استفاده­شده خطای کمتر و در نتیجه، دقت عددی بیشتری دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of Poincaré waves using central and non-central compact schemes

نویسندگان [English]

  • Mosayeb Maleki 1
  • Sarmad Ghader 2
  • Asghar Bohluly 2
1 M.Sc. Student of Physical Oceanography, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran
2 Professor, Space Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

Several numerical methods are employed to solve the linearized shallow-water equations describing the propagation of Poincaré waves within a one-dimensional finite domain. An analytical solution to the problem, set off by a discontinuous step like elevation, is known and allows to assess the accuracy and robustness of each method and in particular, their ability to capture the traveling discontinuities without generating spurious oscillations.
    The present work examines and applies the central and non-central compact finite difference schemes for the numerical solution of the governing equations of Poincaré waves. Undoubtedly, the central and non-central compact spatial discretization methods have higher numerical accuracy than the central second-order method, and in places where there is an exact solution, the compact methods have shown that these methods are stable under various applied boundary conditions and three-diagonal and five-diagonal forms can be used according to possible limitations. The fourth-order central compact, the third-order and the fifth-order non‌central compact methods are employed to carry out the spatial differencing of the governing equations and a fourth-order Runge-Kutta method is used for the temporal discretization. The Runge-Kutta time discretization method of the fourth order is a four-step method. In each step, a value for an assumed function is calculated in an intermediate time step, and in the next step, in the same time step, this value is modified.
    In this research, first, the one-dimensional advection equation, which has an analytical solution, is discretized using the above methods, and the performance and numerical accuracy of the methods are measured. Then, the governing equations of Poincaré waves are numerically solved using the mentioned methods and the results are compared for two initial conditions with discontinuous points. The initial condition of the step function is a smooth condition that produces spurious oscillations but the initial condition of the hyperbolic tangent is a sloping condition in the corners, which produces less oscillations. Finally, the numerical solutions of the central and non-central compact methods are compared with each other and the results are analyzed.
    The central and non-central compact methods work well in detecting and identifying the traveling discontinuities. Among the used methods, the non-central compact method of the fifth order has better performance. Moreover, it has a lower error and a higher numerical accuracy. However, with the increase of grid points, the computational cost of this method increases drastically because the fifth-order non-central compact method is a five-point method, and the matrix of their coefficients forms a five-diagonal matrix which has a great impact on the computational time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Poincaré waves
  • central compact scheme
  • non-central compact scheme
  • numerical accuracy
اصفهانیان، و.، قادر، س.، 1382، حل عددی معادلات آب کم­عمق با استفاده از روش فشرده: نشریه دانشکده فنی دانشگاه تهران، 37(3)، شماره پیاپی 81، 335-344.
قادر، س.، اصفهانیان، و.، محب الحجه، ع.، 1384، حل عددی معادلات آب کم­عمق در صفحه f با استفاده از روش فشرده: پنجمین همایش پیش­بینی عددی وضع هوا، تهران، 10403.
Beckers, J. M., and Deleersnijder, E., 1993, Stability of a FBTCS scheme applied to the propagation of shallow-water inertia–gravity waves on various space grids: Journal of Computational Physics, 108(1), 95–104.
Durran, D. R., 2010, Numerical Methods for Fluid Dynamics: Springer-Verlag, New York.
Ghader, S., Mohebalhojeh, A. R., and Esfahanian, V., 2009, On the spectral convergence of supercompact finite-difference schemes for the f-plane shallow-water equations: Monthly Weather Review, 137, 2393-2406.
Ghader, S., and Nordstrom, J., 2015, High-order compact finite difference scheme for the vorticity-divergence representation of the spherical shallow water equations: International Journal for Numerical Methods in Fluids, 78, 709-738.
Gill, A. E., 1976, Adjustment under gravity in a rotating channel: Journal of Fluid Mechanics, 77, 603–621.
Gill, A. E., 1982, Atmosphere–Ocean Dynamics: Academic Press.
Hallberg, R., 1997, Stable split time stepping schemes for large-scale ocean modeling: Journal of Computational Physics, 135, 54–65.
Higdon, R. L., and de Szoeke, R. A., 1997, Barotropic–baroclinic time splitting for ocean circulation modeling: Journal of Computational Physics, 135, 30–53.
Hirsh, R. S., 1975, Higher Order Accurate Difference Solutions of Fluid Mechanics Problems by a Compact Differencing Technique: NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia 23665.
Houghton, D., Kasahara, A., and Washington, W., 1966, Long term integration of the barotropic equations by the Lax-Wendroff method: Monthly Weather Review, 94, 141-150.
Kuo, A. C., and Polvani, L. M., 1996, Time-dependent fully nonlinear geostrophic adjustment: Journal of Physical Oceanography, 27, 1614–1634.
Laurent, W., Vincent, L., Eric, D., and Daniel, L. R., 2006, A one-dimensional benchmark for the propagation of Poincaré waves: Ocean Modelling, 15, 101–123.
Lele, S. K., 1992, Compact finite difference schemes with spectral-like resolution: Journal of Computational Physics, 103, 16-24.
Mohebalhojeh A. R., and Dritschel, D. G., 2007, Assessing the numerical accuracy of complex spherical shallow-water flows: Monthly Weather Review, 135, 3876-3894.
Rossby, C. G., 1938, On the mutual adjustment of                        
      pressure and velocity distribution in certain    
      simple current systems II. J. Mar. Res. 1, 239–
      263.
Tolstykh, A. I., 1973, On a method for the      
      numerical solution of the compressible
      Navier-Stokes equations over a wide range of
      Reynolds numbers, Dokl. Akad.
      Nauk. SSSR 210 (1973), 48-51.
Tolstykh, A. I., 1985, Non-symmetrical three-point difference schemes of the forth and fifth orders: Computational Mathematics and Mathematical Physics, 25(4), 127-134.
Tolstykh, A. I., 1994, High Accuracy Non-centred Compact Difference Schemes for Fluid Dynamics Applications: Computing Center Russian Academy of Sciences.