Shallow free surface flows are often characterized by both subdomains that require high modeling complexity and subdomains that can be sufficiently accurately modeled with low modeling complexity. Moreover, these subdomains may change in time as the water flows through the domain. This motivates the need for space and time adaptivity in the simulation of shallow free surface flows. In this paper, we develop the first adaptive simulations using the recently developed Shallow Water Moment Equations, which are an extension of the standard Shallow Water Equations that allow for vertically changing velocity profiles by including additional variables and equations. The model-specific modeling complexity of a shallow water moment model is determined by its order. The higher the order of the model, the more variables and equations are included in the model. Shallow water moment models are ideally suited for adaptivity because they are hierarchical such that low-order models and high-order models share the same structure. To enable adaptive simulations, we propose two approaches for the coupling of the varying-order shallow water moment equations at their boundary interfaces. The first approach dynamically updates padded state variables but cannot be written in conservative form, while the second approach uses fixed padded state variable values of zero and reduces to conservative form for conservative moment equations. The switching procedure between high-order models and low-order models is based on a new set of model error estimators, originating from a decomposition of the high-order models. Numerical results of the collision of a dam-break wave with a smooth wave yield accurate results, while achieving speedups up to 60 percent compared to a non-adaptive model with fixed modeling complexity.


翻译:浅自由表面流动通常同时包含需要高建模复杂度的子区域和能够以较低建模复杂度足够精确建模的子区域。此外,随着水流在计算域中运动,这些子区域可能随时间变化。这促使在浅自由表面流动的模拟中需要空间和时间自适应性。本文中,我们利用最近发展的浅水矩方程首次实现了自适应模拟。浅水矩方程是标准浅水方程的扩展,通过引入额外的变量和方程,允许垂向变化的流速剖面。浅水矩模型的建模复杂度由其阶数决定,模型阶数越高,包含的变量和方程越多。浅水矩模型特别适合自适应计算,因为它们具有分层结构,使得低阶模型和高阶模型共享相同的数学框架。为实现自适应模拟,我们提出了两种在边界界面处耦合变阶浅水矩方程的方法:第一种方法动态更新填充状态变量,但无法写成守恒形式;第二种方法使用固定的零值填充状态变量,对于守恒矩方程可简化为守恒形式。高阶模型与低阶模型之间的切换流程基于一套新的模型误差估计器,这些估计器源于对高阶模型的分解。溃坝波与平滑波碰撞的数值模拟结果精度良好,相较于固定建模复杂度的非自适应模型,计算加速最高可达60%。

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