High order well-balanced asymptotic preserving finite difference WENO schemes for the shallow water equations in all Froude numbers

弗劳德数 离散化 浅水方程 数学 有限差分 应用数学 流量(数学) 极限(数学) 有限差分法 数学分析
作者
Guanlan Huang,Yulong Xing,Tao Xiong
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:: 111255-111255
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2022.111255
摘要

In this paper, high order semi-implicit well-balanced and asymptotic preserving finite difference WENO schemes are proposed for the shallow water equations with a non-flat bottom topography. We consider the Froude number ranging from O ( 1 ) to 0, which in the zero Froude limit becomes the “lake equations” for balanced flow without gravity waves. We apply a well-balanced finite difference WENO reconstruction, coupled with a stiffly accurate implicit-explicit (IMEX) Runge-Kutta time discretization. The resulting semi-implicit scheme can be shown to be well-balanced, asymptotic preserving (AP) and asymptotically accurate (AA) at the same time. Both one- and two-dimensional numerical results are provided to demonstrate the high order accuracy, AP property and good performance of the proposed methods in capturing small perturbations of steady state solutions. • Develop a high order well balanced AP scheme for the SWEs with source terms. • Combine the WENO spatial discretization with an IMEX temporal discretization. • Achieve well-balanced properties for a still-water steady state. • Prove the asymptotic preserving and asymptotically accurate properties. • Provide ample numerical results in high and low Froude regimes with great performance.
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