A Semi-implicit Exponential Low-Regularity Integrator for the Navier--Stokes Equations

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作者
Buyang Li,Shu Ma,Katharina Schratz
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:60 (4): 2273-2292 被引量:8
标识
DOI:10.1137/21m1437007
摘要

A new type of low-regularity integrator is proposed for the Navier--Stokes equations. Unlike the other low-regularity integrators for nonlinear dispersive equations, which are all fully explicit in time, the proposed method is a semi-implicit exponential method in time in order to preserve the energy-decay structure of the Navier--Stokes equations. First-order convergence of the proposed method is established independently of the viscosity coefficient $\mu$ under weaker regularity conditions than other existing numerical methods, including the semi-implicit Euler method and classical exponential integrators. The proposed low-regularity integrator can be extended to full discretization with either a stabilized finite element method or a spectral collocation method in space, as illustrated in this article. Numerical results show that the proposed method is much more accurate than the semi-implicit Euler method in the viscous case $\mu=O(1)$ and more stable than the classical exponential integrator in the inviscid case $\mu\rightarrow 0$.
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