home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / numanal / 3287 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-11-11  |  4.9 KB

  1. Path: sparky!uunet!charon.amdahl.com!pacbell.com!sgiblab!zaphod.mps.ohio-state.edu!cs.utexas.edu!newsfeed.rice.edu!uw-beaver!cs.ubc.ca!jonathan
  2. From: jonathan@geop.ubc.ca (Jonathan Thornburg)
  3. Newsgroups: sci.math.num-analysis
  4. Subject: Re: nonlinear wave equation on a sphere
  5. Date: 11 Nov 1992 19:14:12 GMT
  6. Organization: U of BC Astronomy  +  U of Texas at Austin Physics/Relativity
  7. Lines: 87
  8. Sender: Jonathan Thornburg <jonathan@geop.ubc.ca>
  9. Distribution: inet
  10. Message-ID: <1drm24INNmqh@cs.ubc.ca>
  11. References: <0096373F.07D40080@MV3600.BMEN.TULANE.EDU>
  12. NNTP-Posting-Host: rubis.astro.ubc.ca
  13. Summary: it's tricky
  14. Keywords: partial differential equation PDE sphere finite difference pseudo spectral
  15.  
  16. In article <0096373F.07D40080@MV3600.BMEN.TULANE.EDU>
  17. ramesh@MV3600.BMEN.TULANE.EDU writes:
  18. >    I was wondering about how one numerically solves a nonlinear pde 
  19. >(like the wave equation, or a nonlinear Helmholz equation) on a closed
  20. >object like a sphere.  
  21. >
  22. >    My previous experience has been that a spectral method (like
  23. >ORSZAG) is required.  This is eeasy to do using Fourier series and the
  24. >appropriate trignoetric identities.  However, on a sphere, sphereical harmonics
  25. >have to be used, for which there aren't the same type of identities.
  26.  
  27. I know this isn't what you wanted, but permit me to suggest
  28.     \mybibitem{Boyd, J. P.}{1989}
  29.         ``Chebyshev \& Fourier Spectral Methods'',
  30.         Springer-Verlag Lecture Notes in Engineering {\bf 49},
  31.         Springer-Verlag,
  32.         ISBN 3-540-51487-2 (Berlin),0-387-51487-2 (New York).
  33. as being a truly superb book on this topic, with a very nice chapter
  34. on "sphere" problems.  It also has quite a bit of useful stuff on
  35. finite differencing methods.
  36.  
  37.  
  38.  
  39. >    Does anyone know how to set up a finite difference scheme for a 
  40. >closed object like a sphere?
  41.  
  42. The basic answer is "very carefully" :-).
  43.  
  44. Seriously, it's tricky.
  45.  
  46. There are several ways to do it, depending on how many dimensions
  47. your "sphere" is in, and how many of those you're treating numerically
  48. (eg axisymmetry in 3D means you only treat r and theta numerically;
  49. phi can be done analytically).  There are several problems which arise
  50. if you just plunge ahead with a straightforward FD scheme in (r,theta,phi).
  51. In the following laundary list of troubles I have personally struggled
  52. with, I'll assume 3D, and I'll also assume that the underlying PDEs are
  53. nonsingular in (x,y,z) coordinates:
  54. - The continuum PDEs in polar coordinates probably have 0/0 terms
  55.   on the $z$ axis.  You can generally fix these via L'Hopital's rule.
  56. - If nature is unkind to you, the continuum PDEs in polar coordinates
  57.   may have $\infty - \infty$ cancellations on the $z$ axis!  These
  58.   can in theory be fixed, but it may take a lot of algebraic manipulation
  59.   to do so.  (Perhaps try a symbolic algebra system?)
  60. - If you have *tensor* PDEs, you may well have to worry about regularity
  61.   conditions on the $z$ axis.  Enforcing these numerically is very
  62.   tricky.  For an example of this (in numerical general relativity), see
  63.     \mybibitem{Evans, C. R.}{1984}
  64.         ``A Method for Numerical Relativity:
  65.           Simulation of Axisymmetric Gravitational Collapse
  66.           and Gravitational Radiation Generation'',
  67.         University of Texas at Austin Ph.D Thesis,
  68.         University Microfilms Order \#DA 85-08264.
  69.     \mybibitem{Evans, C. R.}{1989}
  70.         ``Enforcing the Momentum Constraints
  71.           During Axisymmetric Spacelike Simulations'',
  72.         pp.~194--205 in \mycite{Evans, Finn, and Hobill}{1989}.
  73.     \mybibitem{Evans, C. R., Finn, L. S., and Hobill, D. W., Eds.}{1989}
  74.         ``Frontiers in Numerical Relativity'',
  75.         Cambridge University Press, Cambridge (UK),
  76.         ISBN 0-521-36666-6.
  77. - In axisymmetry there is another way to regularize polar-coordinate
  78.   PDEs, involving a local coordinate transformation to a hybrid
  79.   rectangular/polar coordinate system, but it's too (ugly and)
  80.   complicated to describe here.  Contact me for the relevant appendix
  81.   to my thesis if you're interested.
  82. - For initial value (hyperbolic/parabolic) problems,
  83.   assuming you get a regular system of FD equations on an (r,theta,phi)
  84.   type grid, any explicit time integration scheme is going to suffer
  85.   from a severe CFL time step limit caused by the close spacing of
  86.   the grid points at near-polar latitudes.  Boyd talks about ways
  87.   to fix this, and gives references to some of the tricks people
  88.   use in numerical weather forecasting codes.
  89. - Under some circumstances you can just ignore the spherical symmetry
  90.   and use xyz coordinates and grids.  This is easy to program and
  91.   mostly avoids the above hassles, but may be expensive.  You also
  92.   have to worry much more about stability in hyperbolic/parabolic
  93.   problems.
  94.  
  95. All in all, it's a messy subject.  Alas, nature is full of
  96. topologically-2-spherical objects...
  97.  
  98. - Jonathan Thornburg
  99.   <jonathan@geop.ubc.ca> through mid-November 92, then
  100.   <jonathan@einstein.ph.utexas.edu> or <jonathan@hermes.chpc.utexas.edu>
  101.   [for a few more months] UBC / {Geophysics & Astronomy, Physics}
  102.   [then through Aug/92] U of Texas at Austin / Physics / Center for Relativity
  103.