Meshless methods are commonly used to determine numerical solutions to partial differential equations (PDEs) for problems involving free surfaces and/or complex geometries, approximating spatial derivatives at collocation points via local kernels with a finite size. Despite their common use in turbulent flow simulations, the accuracy of meshless methods has typically been assessed using their convergence characteristics resulting from the polynomial consistency of approximations to operators, with little to no attention paid to the resolving power of the approximation. Here we provide a framework for the optimisation of resolving power by exploiting the non-uniqueness of kernels to provide improvements to numerical approximations of spatial derivatives. We first demonstrate that, unlike in finite-difference approximations, the resolving power of meshless methods is dependent not only on the magnitude of the wavenumber, but also its orientation, before using linear combinations of kernels to maximise resolving power over a range of wavenumbers. The new approach shows improved accuracy in convergence tests and has little impact on stability of time-dependent problems for a range of Eulerian meshless methods. Solutions to a variety of PDE systems are computed, with significant gains in accuracy for no extra computational cost per timestep in Eulerian frameworks. The improved resolution characteristics provided by the optimisation procedure presented herein enable accurate simulation of systems of PDEs whose solution contains short spatial scales such as flow fields with homogeneous isotropic turbulence.


翻译:无网格方法通常用于求解涉及自由表面和/或复杂几何形状的偏微分方程数值解,其通过有限尺寸的局部核函数在配置点处逼近空间导数。尽管该方法在湍流模拟中广泛应用,但其精度评估通常仅基于算子近似多项式一致性所导出的收敛特性,而几乎未关注近似的分辨率能力。本文提出一种利用核函数非唯一性来优化分辨率能力的框架,以改进空间导数的数值近似。我们首先证明:与有限差分近似不同,无网格方法的分辨率不仅依赖于波数大小,还与其方向相关;进而通过核函数的线性组合实现特定波数范围内的分辨率最大化。新方法在收敛性测试中展现出更高的精度,且对各类欧拉无网格方法中时间相关问题的稳定性影响甚微。通过对多种偏微分方程系统的求解计算,在欧拉框架下每个时间步无需额外计算成本即可实现显著的精度提升。本文所提优化程序提供的改进分辨率特性,使得能够精确模拟解包含短空间尺度的偏微分方程系统,例如具有均匀各向同性湍流的流场。

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