Due to its highly oscillating solution, the Helmholtz equation is numerically challenging to solve. To obtain a reasonable solution, a mesh size that is much smaller than the reciprocal of the wavenumber is typically required (known as the pollution effect). High order schemes are desirable, because they are better in mitigating the pollution effect. In this paper, we present a sixth order compact finite difference method for 2D Helmholtz equations with singular sources, which can also handle any possible combinations of boundary conditions (Dirichlet, Neumann, and impedance) on a rectangular domain. To reduce the pollution effect, we propose a new pollution minimization strategy that is based on the average truncation error of plane waves. Our numerical experiments demonstrate the superiority of our proposed finite difference scheme with reduced pollution effect to several state-of-the-art finite difference schemes in the literature, particularly in the critical pre-asymptotic region where $\textsf{k} h$ is near $1$ with $\textsf{k}$ being the wavenumber and $h$ the mesh size.


翻译:由于其高度振荡性溶液, Helmholtz 等式在数字上是难以解决的。 为了获得合理的解决方案,通常需要比波数对等更小的网状尺寸(称为污染效应 ) 。 高顺序方案是可取的, 因为它们在减轻污染效应方面效果更好。 在本文中, 我们为2D Helmholtz 等式和单源提出了第六级紧凑有限差异法, 该方程式也可以处理矩形域边界条件( Drichlet, Neumann, 和阻力) 的任何可能的组合。 为了减少污染效应, 我们提议了新的污染最小化战略, 以平流波的平均脱速错误为基础。 我们的数字实验显示了我们提议的、 减少污染效应的有限差异方案在文献中具有优势, 特别是在关键的失灵前区域, 美元为textsf{k} h$=textsf{k} h$, $\ textsf{k} 作为波数和 $hh$mesh size 大小。

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