Phase Averaged Deferred Correction for Multi-Timescale Systems
多时间尺度系统的相位平均延迟校正
基本信息
- 批准号:EP/Y032624/1
- 负责人:
- 金额:$ 10.06万
- 依托单位:
- 依托单位国家:英国
- 项目类别:Research Grant
- 财政年份:2024
- 资助国家:英国
- 起止时间:2024 至 无数据
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The time-dependent systems are described with differential equations (either ordinary or partial differential equations). These systems are everywhere from ocean and atmospheric flows to financial markets or biological models. To know their behaviour, we need to solve the differential equations by integrating them in time. We often do this numerically using our computational resources. Such computation for complicated systems like weather models is very demanding and takes a long time. To lower the computational time, in modern scientific computing we parallelise the computational tasks and assign them to different processors that compute them simultaneously. However, there is a big obstacle in the parallisation of time integration for solving differential equations. Time integration is a sequential process, in which computing the solution at any timestep requires the solution at previous timesteps. Hence, it cannot be parallelised easily. The efficient time integration of nonlinear multi-timescale systems poses an additional challenge. The fast modes of these systems are coupled with the slow modes and finding their solution requires very small timesteps that slow down the overall computation. This project addresses these two challenges (parallelisation of time integration and fast oscillations) by developing a novel parallel time integrator that efficiently computes the solution of nonlinear multi-timescale systems.The method that we plan to develop considers the differential equations averaged over the phase of fast oscillations. The averaging is done in a systematic way such that it will be easy to retrieve the fast dynamics from the averaged solution. The biggest advantage of this averaging is to allow taking larger times without compromising too much on the accuracy or the solution blowing up due to numerical instabilities. The averaging itself, however, introduces a new type of error in computation. To mitigate this effect, we iteratively correct the averaged solution by lowering the averaging window. A part of our method's novelty is designing these correction layers in a way that can be computed in parallel and hence using several processors to lower to the overall computation time. After developing our method and testing it on simple examples, we apply it to a model of shallow waters that incorporates fast waves and slow vortices. This can be a stepping-stone for the application of the proposed method in more complicated geophysical flows in the ocean and weather prediction models.
瞬态系统用微分方程(常微分方程或偏微分方程)来描述。这些系统无处不在,从海洋和大气流动到金融市场或生物模型。为了了解它们的行为,我们需要通过对它们进行时间积分来求解微分方程。我们经常使用我们的计算资源以数字方式进行此操作。对于天气模型等复杂系统的这种计算要求非常高,并且需要很长时间。为了减少计算时间,在现代科学计算中,我们并行计算任务并将它们分配给同时计算它们的不同处理器。然而,求解微分方程的时间积分并行化存在很大障碍。时间积分是一个顺序过程,其中计算任何时间步长的解都需要先前时间步长的解。因此,它不能轻易并行。非线性多时间尺度系统的有效时间积分提出了额外的挑战。这些系统的快速模式与慢速模式相结合,找到它们的解决方案需要非常小的时间步长,从而减慢整体计算速度。该项目通过开发一种新颖的并行时间积分器来解决这两个挑战(时间积分的并行化和快速振荡),该积分器可以有效地计算非线性多时间尺度系统的解。我们计划开发的方法考虑了在相位上平均的微分方程快速振荡。平均是以系统的方式完成的,这样就可以很容易地从平均解中检索快速动态。这种平均的最大优点是允许采用更长的时间,而不会过多影响精度或由于数值不稳定而导致解崩溃。然而,平均本身在计算中引入了一种新类型的误差。为了减轻这种影响,我们通过降低平均窗口来迭代修正平均解。我们方法的新颖性的一部分是以可以并行计算的方式设计这些校正层,因此使用多个处理器来降低总体计算时间。在开发我们的方法并在简单的例子上进行测试后,我们将其应用于包含快波和慢涡的浅水模型。这可以成为所提出的方法在海洋中更复杂的地球物理流和天气预报模型中应用的踏脚石。
项目成果
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专著数量(0)
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