Published February 1, 2024 | Version v1
Publication Open

Fully well-balanced entropy controlled discontinuous Galerkin spectral element method for shallow water flows: Global flux quadrature and cell entropy correction

  • 1. Vellore Institute of Technology University
  • 2. Clausthal University of Technology

Description

We present a novel formulation of the discontinuous Galerkin spectral element method for solving balance laws, with application to the shallow water equations. The scheme proposed is constructed starting from a global flux formulation in which an additional flux term is constructed as the primitive of the source. We show that, in the context of nodal spectral finite elements, this can be translated into a simple modification of the integral of the source term, or equivalently into a modification of a mass matrix. When using Gauss-Lobatto nodal finite elements this modified integration allows to recover at steady state a well known high order Gauss collocation ODE integrator for the flux: the LobattoIIIA method. This method is superconvergent at the collocation points. We thus obtain considerable accuracy enhancements for any steady state, and a characterization via a discrete well-balanced property similar in spirit to the one proposed in [20], albeit not needing the explicit solution of the local Cauchy problem. To control the entropy production, we introduce ad-hoc artificial viscosity corrections at the cell level and incorporate them into the scheme. We provide theoretical and numerical characterizations of the accuracy and equilibrium preservation of these corrections. Through extensive numerical benchmarking we validate all the theoretical predictions, conforming great improvements in accuracy for one dimensional steady states, and robustness for more complex scenarios both in one and two dimensions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نقدم صياغة جديدة لطريقة العنصر الطيفي جاليركين المتقطع لحل قوانين التوازن، مع التطبيق على معادلات المياه الضحلة. يتم إنشاء المخطط المقترح بدءًا من صيغة التدفق العالمي التي يتم فيها إنشاء مصطلح تدفق إضافي باعتباره المصطلح البدائي للمصدر. نوضح أنه في سياق العناصر الطيفية العقدية المحدودة، يمكن ترجمة ذلك إلى تعديل بسيط لتكامل المصطلح المصدر، أو بشكل مكافئ إلى تعديل لمصفوفة الكتلة. عند استخدام عناصر غاوس- لوباتو العقدية المحدودة، يسمح هذا التكامل المعدل باستعادة تكامل الغاوس عالي المستوى المعروف جيدًا للتدفق: طريقة LobattoIIIA. هذه الطريقة فائقة التقارب عند نقاط التجميع. وبالتالي نحصل على تحسينات كبيرة في الدقة لأي حالة مستقرة، وتوصيف عبر خاصية متوازنة بشكل جيد مماثلة في الروح لتلك المقترحة في [20]، وإن لم تكن بحاجة إلى حل صريح لمشكلة كوشي المحلية. للتحكم في إنتاج الإنتروبيا، نقدم تصحيحات اللزوجة الاصطناعية المخصصة على مستوى الخلية ودمجها في المخطط. نقدم توصيفات نظرية وعددية لدقة هذه التصحيحات والحفاظ على توازنها. من خلال القياس العددي الشامل، نتحقق من صحة جميع التنبؤات النظرية، ومطابقة التحسينات الكبيرة في الدقة للحالات الثابتة أحادية البعد، والمتانة لسيناريوهات أكثر تعقيدًا في بُعد واحد وبعدين.

Translated Description (French)

Nous présentons une nouvelle formulation de la méthode des éléments spectraux discontinus de Galerkin pour résoudre les lois d'équilibre, avec une application aux équations des eaux peu profondes. Le schéma proposé est construit à partir d'une formulation de flux global dans laquelle un terme de flux supplémentaire est construit comme la primitive de la source. Nous montrons que, dans le contexte des éléments finis spectraux nodaux, cela peut se traduire par une simple modification de l'intégrale du terme source, ou de manière équivalente par une modification d'une matrice de masse. Lors de l'utilisation d'éléments finis nodaux Gauss-Lobatto, cette intégration modifiée permet de récupérer à l'état d'équilibre un intégrateur d'ODE de collocation Gauss d'ordre élevé bien connu pour le flux : la méthode LobattoIIIA. Cette méthode est supraconvergente aux points de collocation. Nous obtenons ainsi des améliorations de précision considérables pour tout état d'équilibre, et une caractérisation via une propriété discrète bien équilibrée similaire dans l'esprit à celle proposée dans [20], bien que n'ayant pas besoin de la solution explicite du problème de Cauchy local. Pour contrôler la production d'entropie, nous introduisons des corrections de viscosité artificielles ad hoc au niveau cellulaire et les incorporons dans le schéma. Nous fournissons des caractérisations théoriques et numériques de la précision et de la préservation de l'équilibre de ces corrections. Grâce à une analyse comparative numérique approfondie, nous validons toutes les prédictions théoriques, ce qui permet de grandes améliorations de la précision pour les états stables unidimensionnels et de la robustesse pour les scénarios plus complexes à la fois en une et deux dimensions.

Translated Description (Spanish)

Presentamos una nueva formulación del método del elemento espectral discontinuo de Galerkin para resolver leyes de equilibrio, con aplicación a las ecuaciones de aguas poco profundas. El esquema propuesto se construye a partir de una formulación de flujo global en la que se construye un término de flujo adicional como la primitiva de la fuente. Mostramos que, en el contexto de los elementos finitos espectrales nodales, esto puede traducirse en una simple modificación de la integral del término fuente, o equivalentemente en una modificación de una matriz de masas. Cuando se utilizan elementos finitos nodales de Gauss-Lobatto, esta integración modificada permite recuperar en estado estacionario un conocido integrador de ODA de colocación de Gauss de alto orden para el fundente: el método LobattoIIIA. Este método es superconvergente en los puntos de colocación. Por lo tanto, obtenemos mejoras de precisión considerables para cualquier estado estacionario y una caracterización a través de una propiedad discreta bien equilibrada similar en espíritu a la propuesta en [20], aunque no necesitamos la solución explícita del problema local de Cauchy. Para controlar la producción de entropía, introducimos correcciones artificiales de viscosidad ad-hoc a nivel celular y las incorporamos al esquema. Proporcionamos caracterizaciones teóricas y numéricas de la precisión y el equilibrio de estas correcciones. A través de una extensa evaluación comparativa numérica, validamos todas las predicciones teóricas, conformando grandes mejoras en la precisión para estados estacionarios unidimensionales y robustez para escenarios más complejos tanto en una como en dos dimensiones.

Files

document.pdf

Files (6.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9d06fef9ac7b4fae0b6369acec6ecb96
6.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
طريقة عنصر غاليركين الطيفي المتقطع والمتوازن تمامًا لتدفقات المياه الضحلة: تصحيح تعادل التدفق العالمي وتصحيح إنتروبيا الخلية
Translated title (French)
Méthode des éléments spectraux de Galerkin discontinus contrôlés par entropie entièrement bien équilibrée pour les écoulements d'eau peu profonde : Correction de la quadrature du flux global et de l'entropie cellulaire
Translated title (Spanish)
Método de elemento espectral de Galerkin discontinuo controlado por entropía totalmente equilibrado para flujos de aguas poco profundas: cuadratura de flujo global y corrección de entropía celular

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4389312165
DOI
10.1016/j.jcp.2023.112673

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1209109186
  • https://openalex.org/W1513593694
  • https://openalex.org/W1583515859
  • https://openalex.org/W1972023531
  • https://openalex.org/W1972295722
  • https://openalex.org/W1973083629
  • https://openalex.org/W1973395108
  • https://openalex.org/W1974309420
  • https://openalex.org/W1980264311
  • https://openalex.org/W1981001745
  • https://openalex.org/W1996923088
  • https://openalex.org/W2004759358
  • https://openalex.org/W2008179816
  • https://openalex.org/W2020752851
  • https://openalex.org/W2022958167
  • https://openalex.org/W2031043673
  • https://openalex.org/W2038747175
  • https://openalex.org/W2040219002
  • https://openalex.org/W2041983391
  • https://openalex.org/W2042388195
  • https://openalex.org/W2046914952
  • https://openalex.org/W2049068370
  • https://openalex.org/W2065852546
  • https://openalex.org/W2067678280
  • https://openalex.org/W2072226973
  • https://openalex.org/W2074333023
  • https://openalex.org/W2079382164
  • https://openalex.org/W2079861495
  • https://openalex.org/W2084025336
  • https://openalex.org/W2084555724
  • https://openalex.org/W2084765148
  • https://openalex.org/W2111072571
  • https://openalex.org/W2152122438
  • https://openalex.org/W2167278920
  • https://openalex.org/W2169457978
  • https://openalex.org/W2343405662
  • https://openalex.org/W2494298186
  • https://openalex.org/W2509966281
  • https://openalex.org/W2526384912
  • https://openalex.org/W2553440700
  • https://openalex.org/W2768176009
  • https://openalex.org/W2774510271
  • https://openalex.org/W2777698842
  • https://openalex.org/W2780816004
  • https://openalex.org/W2808883223
  • https://openalex.org/W2810690184
  • https://openalex.org/W2927725347
  • https://openalex.org/W2964325435
  • https://openalex.org/W2993410180
  • https://openalex.org/W3005811768
  • https://openalex.org/W3011239099
  • https://openalex.org/W3021063832
  • https://openalex.org/W3044652118
  • https://openalex.org/W3089729456
  • https://openalex.org/W3104814973
  • https://openalex.org/W3112619843
  • https://openalex.org/W3118933647
  • https://openalex.org/W3122842052
  • https://openalex.org/W3163914720
  • https://openalex.org/W3167811411
  • https://openalex.org/W3186583744
  • https://openalex.org/W3201475038
  • https://openalex.org/W3208475653
  • https://openalex.org/W3213878575
  • https://openalex.org/W3217719569
  • https://openalex.org/W4200265852
  • https://openalex.org/W4206447028
  • https://openalex.org/W4232258220
  • https://openalex.org/W4289342468
  • https://openalex.org/W4294789466
  • https://openalex.org/W4298149851
  • https://openalex.org/W4307907529
  • https://openalex.org/W4318978556
  • https://openalex.org/W4382651954
  • https://openalex.org/W4385884174