научная статья по теме ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗДИВЕРГЕНТНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ РЕШЕНИИ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ МГД МЕТОДОМ RKDG Математика

Текст научной статьи на тему «ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗДИВЕРГЕНТНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ РЕШЕНИИ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ МГД МЕТОДОМ RKDG»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 8, с. 1329-1340

УДК 519.634

Посвящается светлой памяти А.П. Фаворского

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗДИВЕРГЕНТНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ РЕШЕНИИ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ МГД МЕТОДОМ RKDG1)

© 2015 г. М. П. Галанин, В. В. Лукин

(125047Москва, Миусская пл., 4, ИПМРАН) e-mail:galan@keldysh.ru; lukin@keldysh.ru Поступила в редакцию 12.02.2015 г.

Приведен обзор методик обеспечения выполнения условия бездивергентности магнитного поля при численном решении двумерных задач магнитной гидродинамики на треугольных сетках с помощью разрывного метода Галеркина второго порядка. Описаны процедуры перераспределения численных потоков, соответствующих магнитному полю, в полном двумерном случае в декартовых координатах и двумерном осесимметричном случае в цилиндрических координатах, позволяющие подавить рост численной дивергенции магнитного поля. Рассмотрены тестовые задачи о вихре Орзага—Танга и о сферическом взрыве. Библ. 19. Фиг. 5.

Ключевые слова: магнитная гидродинамика, RKDG-метод, условие бездивергентности, численные потоки.

DOI: 10.7868/S0044466915080098

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных трудностей при построении численных схем для решения уравнений идеальной магнитной гидродинамики (МГД) в многомерном случае является необходимость соблюдения условия бездивергентности магнитного поля. Уравнение

V ■ B = 0, (1)

где В — вектор магнитной индукции, входит в систему уравнений Максвелла (см. [1]), описывающую эволюцию магнитного и электрического полей, но является избыточным в системе уравнений МГД. Действительно, из уравнения Фарадея

Щ = V X (v X B), (2)

dt

где v — вектор скорости, следует, что дивергенция магнитного поля будет оставаться неизменно нулевой, если начальные условия задачи удовлетворяют уравнению (1).

Стандартные схемы для гиперболических систем общего вида (см. [2]) не позволяют в этом случае сохранить свойство уравнения (1). Они опираются на консервативную форму записи системы уравнений МГД и в ходе вычислений допускают возникновение и накопление магнитного заряда, что может оказать существенное негативное влияние на качество получаемого решения (см. [3]). Чтобы избежать нефизических значений параметров моделируемого течения плазмы (например появления отрицательного давления), необходимо предпринимать дополнительные усилия, например:

• построение специальной аппроксимации уравнения Фарадея (2) в неконсервативной форме (см. [4]);

• использование в математической модели вместо вектора индукции магнитного поля В векторного магнитного потенциала А : В = V х А (см. [5], [6]);

1) Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (коды проектов 14-01-31496, 14-29-06086, 15-01-03073).

4

1329

• введение в вычислительную схему процедуры удаления магнитного заряда (см. [7]), которая существенно зависит от типа схемы и способа и порядка аппроксимации уравнений системы МГД.

Первые два подхода обладают тем преимуществом, что при раздельном решении уравнений, описывающих разные по природе и свойствам физические процессы (см. [8]), появляется дополнительная возможность выбора наиболее удобного и естественного способа описания каждого из этих процессов. В то же время они уже не позволяют решать МГД-систему целиком с помощью, например, схем типа Годунова и, как правило, требуют введения смещенных сеток.

В то же время на идее "сквозного" решения систем гиперболических уравнений в консерва-тиной форме построен один из наиболее эффективных методов решения задач газовой динамики и МГД — RKDG метод (Runge—Kutta discontinuous Galerkin, см. [9]—[11]). Данный метод обеспечивает высокий уровень разрешения разрывов и позволяет повышать порядок точности метода без увеличения шаблона, что особенно важно при использовании неструктурированных сеток.

В данной работе приведен обзор способов реализации условия бездивергентности магнитного поля в рамках применения RKDG-метода к решению системы уравнений идеальной магнитной гидродинамики в полной двумерной (см. [10]) и двумерной осесимметричной (см. [12]) постановках на треугольных неструктурированных сетках.

2. СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ИДЕАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

Уравнения идеальной магнитной гидродинамики могут быть записаны в неконсервативном виде (см. [1]), представляющем базовые законы сохранения массы, импульса, энергии и закон Фарадея для магнитного поля:

^Р + Уру = 0, (3)

дг

др? + У-(руу+р1) = ¿ЧУ* в)х в, (4)

д + У.(у (е + р)) = ![(УХ в) х в ]• у, (5)

дг 4 я

— = Ух (у х в), (6)

дг

где р — плотность плазмы, V = (у1, ч2, ^)т — вектор скорости плазмы, р — давление, В =

= (51, В2, В3)т — вектор магнитной индукции, е — плотность полной энергии, I — единичный тензор второго ранга. Для замыкания уравнений (3)—(6) используется уравнение состояния совершенного газа в виде

р = рб(у - 1), (7)

где б — удельная внутренняя энергия, у — показатель адиабаты, откуда следует соотношение

в = р8 + РИ_2 + И-2 = + РМ.2 + и2. (8)

Р 2 8 я у - 12 8 я

В полной двумерной постановке (х1, х2 — координаты пространственной точки в декартовой системе координат) система уравнений идеальной МГД в консервативной форме записывается в виде (см. [2])

а_и + ^ + ^2 = о, (9)

дг дх1 дх2

где u = (р, р vb р v2, р v3, e, В1, В2, В3)т — вектор консервативных переменных,

„ ( 2 ||в||2 B BlB2 BB

Fl = + Р + -------- - --i V2 - -р-2,р Vi V3 - -i—3,

v 8п 4п 4 п 4 я

e + Р + "BD vi - В1(-ВВ-;Г' 0' viB2 - V2B1, V1B3 - V3Bi)T,

,, ( B2B1 2 ||BI2 b2

F2 = I р V2, р V2 V1 - —— ,р V2 + p + ------ - —,K„2„3 , >

1 4п 8 п 4п 4п

|e + p + И^ V2 - B2(BB4-n--), V2B1 - V1B2, 0, V2B3 - V3B2)

есть векторы потоков консервативных переменных в направлениях осей x1 и x2 соответственно.

В двумерной осесимметричной постановке система уравнений идеальной МГД в цилиндрической системе координат (r, ф, z) (решение не зависит от угла ф) имеет вид (см. [13])

du + IdtF- + dF- = sgeom, (io)

dt r dr dz

u = (р, р Vr, рvф, рvz, e, Br, Bz, Вф)т,

а векторы потоков записаны так, что F1 = Fr и F2 = Fz с точностью до формальной замены индекса 1 на r, индекса 2 на z и индекса 3 на ф. Вектор геометрических источников в правой части имеет вид (см. [2])

р V2V3 -

B2B3

где

sgeom = -10, p + И-2 + р V2 - B-, 0, 0, 0, 0, 0, vrB, - V,Br

Система (10) очевидным образом приводится к консервативной форме с двумя пространственными переменными.

3. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД Запишем систему (9) в инвариантной индексной форме

du + v-((FM,F2,i-т- = i = 178. (11)

Для ее решения на плоской треугольной сетке используем разрывный метод Галеркина (см. [9], [10]). Запишем систему (11) в слабой интегральной постановке путем домножения на пробную функцию ю(х) и интегрирования по области VA, имеющей в двумерном случае вид треугольной призмы единичной высоты, а в осесимметричном — кольца с осью вращения Oz и содержащей ячейку сетки в качестве сечения:

Jf »dV + j»dS- \FL¡^dV = \SiadV,

Va Sa Va 1 VA

где n — единичный вектор внешней нормали к поверхности SA = дVA. Будем искать решение в виде

Nt Щ

u = X X уа'Р(t)фа. в(r' z^

а = 1 в = 1

где NT — число треугольников сетки, Nb — зависящее от порядка аппроксимации число базисных функций, определенных в ячейке Ка; {фа, р(х1, х2)}Щ= 1 — ортонормированная система базисных функций (полиномов степени ниже m), определенных в а-й ячейке; уа'в (t) — вектор коэффици-

т

ентов при базисных функциях. Тогда система обыкновенных дифференциальных уравнений разрывного метода Галеркина порядка m будет иметь вид (см. [10])

^ + Y IF(ya, yn(a'v))Фа,рds- dV = [s-ф рdV,

dt £ i Va dXj V (12)

а = 1, КТ, р = 1, Кь, 1= 1, 8,

где Vй — область, соответствующая ячейке с номером a, — поверхность у-й боковой грани

ячейки а, п(а, у) — номер соседней с ней ячейки, у^ ¥)) — численный поток, зависящий

от значений решения в ячейках, примыкающих к ребру у, и определяемый из решения соответствующей задачи Римана о распаде разрыва. В [10], [12] для получения приближенного решения задачи Римана использован метод HLLD (см. [14]), дающий высокий уровень разрешения разрывов, но временами генерирующий численную немонотонность в решении. В случаях, когда вносимая методом HLLD немонотонность оказывала существенное негативное влияние на качество получаемого решения, происходило автоматическое переключение на метод HLL (см. [2], [15]). Система (12) дополняется начальным условием вида

уа,в (о) = | иоФа>р ау, (13)

где и0(х1, х2) — начальное распределение консервативных переменных.

При расчете интегралы заменяются квадратурными формулами, точность которых согласована с порядком метода m. Для случая осесимметричной постановки в цилиндрических координатах dV = a dS = 2п^1, где dl — элемент длины в плоскости (г, z), квадратурные формулы строятся с использованием весового коэффициента г. Решение задачи Коши (12)—(13) происходит численным интегрированием явным методом Рунге—Кутты второго порядка, шаг по времени т определяется динамически. Для аппроксимации граничных условий используется метод фиктивной ячейки.

Решение уравнений МГД разрывным методом Галеркина второго порядка точности требует использования функций-ограничителей наклона решения в ячейке (лимитеров, см. [2], [9], [16]) как для поддержания монотонности решения, так и для предотвращения появления на очередном временном слое отрицательных значений плотности и давления.

В [10], [12] использован лимитер "ТУВ тттоё" для кусочно-линейных функций, значение которого зависит от исходного наклона решения в данной ячейке и от средних значений решения в соседних ячейках. Процедура ограничения наклона (лимитирования) магнитного поля может привести к потере свойства его бездивергентности и поэтому применяется только при вычислении потоков. Лимитирование проводится для локальных характеристических переменных, получаемых из консервативных умножением на матрицу L левых собственных векторов линеаризованной системы (9). Более подробно процедура монотонизации решения описана в [10].

4. РЕАЛИЗАЦИЯ УСЛОВИЯ ОТСУТСТВИЯ МАГНИТНОГО ЗАРЯДА 4.1. Полная двумерная постановка

Для поддержания бездивергентности магнитного поля в рамках RKDG-метода применена идеол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком