International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

A Totally Volume-Integrated Discontinuous Galerkin Method with Strong Stability Preserving Time Integration for Periodic Problems on the Interval [-π, π]

الملخص
يقدم هذا البحث حلولًا لمعادلات تفاضلية جزئية زائدية على نطاقات دورية باستخدام مخطط عددي عالي الرتبة. تم تطوير طريقة جالركين غير متصلة متكاملة كليًا مع الحجم (TVI-DG) خصيصًا للتقسيم المكاني للفترة الدورية [-π، π]، باستخدام أساس متعدد الحدود المتعامد المستوحى من فورييه. تكامل الأنظمة شبه المنفصلة في الزمن باستخدام مخططات الحفاظ على الاستقرار القوي (SSP) من الرتبتين الثانية والثالثة، والمُعرّفة أيضًا على نفس الفترة الدورية، والتي صُممت لتكون ذات خصائص استقرار أفضل مقارنةً بأساليب SSP التقليدية. يتم اشتقاق التقديرات المكانية والزمانية من صيغة موحدة للبقايا الموزونة باستخدام نهج جاليركين القياسي. تم إثبات كفاءة الطريقة المقترحة من خلال معادلة الحمل الخطي ومعادلة الحرارة أحادية البعد. تؤكد النتائج العددية لحالات الاختبار المعيارية التي تم إجراؤها على دقة وكفاءة الطرق المقترحة. أظهرت المقارنة بين دالة الشكل في هذا العمل [-π, π] وتلك الخاصة بالفترة القياسية [0, 1] أن النتائج العددية متكافئة عند زمن يساوي 2π، مما يُبرز تأثير المجال الحسابي على سلوك الحل. يُعد هذا العمل جزءًا من سلسلة دراسات تُوسّع نطاق طرق التوليد التفاضلي عالي الرتبة لتشمل فترات عامة باستخدام قواعد متعددة الحدود معممة. .............. الكلمات المفتاحية:............ التقطيع متعدد الحدود، قوانين الحفظ الزائدية، طريقة TVI-DG، مخططات زمنية SSP، متعددات الحدود المتعامدة، فترات دورية.
Abstract
This work presents solutions of hyperbolic partial differential equations on periodic domains using a high-order numerical scheme. A Totally Volume-Integrated Discontinuous Galerkin (TVI-DG) method is developed explicitly for spatial discretization of the periodic interval [-π, π], utilizing an orthogonal polynomial basis inspired by Fourier. The integration of semi-discrete systems in time using Second and third-order Strong Stability Preserving (SSP) schemes, also defined on the same periodic interval, which are designed to have better stability properties compared to classical SSP methods. The spatial and temporal discretizations are derived from a unified weighted residual formulation using a standard Galerkin approach. The efficiency of the proposed method is proved through the linear advection equation and the one-dimensional heat equation. The numerical results of the conducted benchmark test cases confirm the accuracy and efficiency of the proposed methods. A comparison between the shape function of this work [-π, π] and those for the standard interval [0, 1] shows that the numerical results are equivalent at a time equal to 2π, highlighting the impact of the computational domain on solution behavior. This work is part of a series extending high-order DG methods to general intervals using generalized polynomial bases................................ Keywords:.............. Polynomial Discretization, Hyperbolic Conservation Laws, TVI-DG Method, SSP Time Schemes, Orthogonal Polynomials, Periodic Intervals.