Implicit Multi-Scale Plasma Simulations Using Low Cost Matrix-Free Methods for Partial Differential Equations

使用低成本无矩阵方法进行偏微分方程的隐式多尺度等离子体模拟

基本信息

  • 批准号:
    1912183
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-01 至 2023-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The Carrington event of 1859 was a massive solar flair that hit the earth and left large amounts of charged particles trapped in the earth's magnetic field. These charged particles created large currents that coupled to the telegraph wires via an inductive coupling, as what happens in transformers. The currents that were pushed through the telegraph wires were so large they caused the telegraph machines to explode. If this were to happen today, unless we know to turn off and disconnect the power grid, such an event would destroy modern power infrastructure. Yet solar flairs happen all the time, we can't simply turn off the power grid every time one happens. From the time of detection, it takes 3 days for a solar flair to travel the distance to the earth. Predicting if a solar flair will hit the earth is currently done with low resolution models, which are not particular good at predicting these events. Increasing the accuracy to include more physics in the calculation leads to bigger calculations that simply can't be done in three days, even on modern super computers with state of the art methods. This project centers on creating a new class of methods that could make these calculations possible. One way to begin to address the issues of simulating problems with a significant number of time scales is to use implicit solvers. These typically lead to large systems of implicitly coupled equations. The main bottleneck in scalable solvers for such systems is in the communication and large number of interactions that are needed to solve these systems. In this project we are pursuing a new paradigm that solves coupled systems of non-linear PDEs, it is important to note that the pieces of the operators are typically linear. We have developed a strategy of expanding these pieces of the operators as global convolutions that give unconditional stability when combined with explicit time stepping methods, but can be cheaply evaluated with three term recurrence relations and avoids iteration. This approach has led to unconditionally stable solvers for problems such as degenerate advection diffusion or the Hamilton Jacobi equations. Here we are working to extend these methods to systems of PDEs.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
1859年的卡林顿事件是一次巨大的太阳耀斑,它撞击了地球,留下了大量被困在地球磁场中的带电粒子。 这些带电粒子产生了巨大的电流,通过电感耦合耦合到电报线,就像变压器中发生的那样。 通过电报线的电流是如此之大,以至于导致电报机爆炸。 如果这种情况发生在今天,除非我们知道关闭和断开电网,否则这样的事件将摧毁现代电力基础设施。然而,太阳耀斑一直在发生,我们不能简单地在每次发生时关闭电网。 从被探测到的时间算起,太阳耀斑需要3天的时间才能到达地球。 目前,预测太阳耀斑是否会袭击地球是通过低分辨率模型进行的,这些模型并不特别擅长预测这些事件。 提高精度以在计算中包括更多的物理学导致更大的计算,即使在具有最先进方法的现代超级计算机上,也无法在三天内完成。 这个项目的中心是创建一个新的方法类,可以使这些计算成为可能。 开始解决具有大量时间尺度的模拟问题的一种方法是使用隐式求解器。 这些通常导致隐式耦合方程的大系统。 可扩展求解器的主要瓶颈是解决这些系统所需的通信和大量的交互。 在这个项目中,我们正在追求一个新的范式,解决耦合系统的非线性偏微分方程,重要的是要注意,件的运营商通常是线性的。 我们已经制定了一个战略,扩大这些作品的运营商作为全球卷积,提供无条件的稳定性时,结合显式时间步进方法,但可以便宜地评估与三项递归关系,并避免迭代。 这种方法已经导致了无条件稳定的求解问题,如退化平流扩散或汉密尔顿雅可比方程。 在这里,我们正在努力将这些方法扩展到PDE系统。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Order enhanced finite volume methods through non-polynomial approximation
通过非多项式逼近阶增强有限体积法
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2023.111960
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Christlieb, Andrew J.;Sands, William A.;Yang, Hyoseon
  • 通讯作者:
    Yang, Hyoseon
A Kernel-Based Explicit Unconditionally Stable Scheme for Hamilton-Jacobi Equations on Nonuniform Meshes
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2020.109543
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    A. Christlieb;William A. Sands;Hyoseon Yang
  • 通讯作者:
    A. Christlieb;William A. Sands;Hyoseon Yang
High-Order Semi-Lagrangian WENO Schemes Based on Non-polynomial Space for the Vlasov Equation
Kernel Based High Order “Explicit” Unconditionally Stable Scheme for Nonlinear Degenerate Advection-Diffusion Equations
  • DOI:
    10.1007/s10915-020-01152-w
  • 发表时间:
    2017-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    A. Christlieb;Wei Guo;Yan Jiang;Hyoseon Yang
  • 通讯作者:
    A. Christlieb;Wei Guo;Yan Jiang;Hyoseon Yang
Parallel Algorithms for Successive Convolution
连续卷积的并行算法
  • DOI:
    10.1007/s10915-020-01359-x
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Christlieb, Andrew J.;Guthrey, Pierson T.;Sands, William A.;Thavappiragasm, Mathialakan
  • 通讯作者:
    Thavappiragasm, Mathialakan
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Andrew Christlieb其他文献

A semi-Lagrangian adaptive-rank (SLAR) method for linear advection and nonlinear Vlasov-Poisson system
一种用于线性平流和非线性弗拉索夫 - 泊松系统的半拉格朗日自适应秩(SLAR)方法
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2025.113970
  • 发表时间:
    2025-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.800
  • 作者:
    Nanyi Zheng;Daniel Hayes;Andrew Christlieb;Jing-Mei Qiu
  • 通讯作者:
    Jing-Mei Qiu

Andrew Christlieb的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Andrew Christlieb', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: HDR DSC: Increasing Accessibility through Building Alternative Data Science Pathways
合作研究:HDR DSC:通过构建替代数据科学途径提高可访问性
  • 批准号:
    2123260
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
A Data-driven Approach to Multiscale Methods for ScalableTransport in Neutron Star Mergers and Complex Plasmas
中子星合并和复杂等离子体中可扩展传输的数据驱动多尺度方法
  • 批准号:
    2008004
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
A Practical Approach to Rothe's Method: Method of Lines Transpose
罗特方法的实用方法:直线转置法
  • 批准号:
    1418804
  • 财政年份:
    2014
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Temporal Multi-Scale Simulation Tools Kinetic Plasma Equations
时态多尺度模拟工具动力学等离子体方程
  • 批准号:
    1115709
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Systematic Lagrangian Methods for Transport Problems
传输问题的系统拉格朗日方法
  • 批准号:
    0811175
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

基于Multi-Pass Cell的高功率皮秒激光脉冲非线性压缩关键技术研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
Multi-decadeurbansubsidencemonitoringwithmulti-temporaryPStechnique
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    80 万元
  • 项目类别:
High-precision force-reflected bilateral teleoperation of multi-DOF hydraulic robotic manipulators
  • 批准号:
    52111530069
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    10 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
基于8色荧光标记的Multi-InDel复合检测体系在降解混合检材鉴定的应用研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
大规模非确定图数据分析及其Multi-Accelerator并行系统架构研究
  • 批准号:
    62002350
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
3D multi-parameters CEST联合DKI对椎间盘退变机制中微环境微结构改变的定量研究
  • 批准号:
    82001782
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
高速Multi-bit/cycle SAR ADC性能优化理论研究
  • 批准号:
    62004023
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于multi-SNP标记及不拆分策略的复杂混合样本身份溯源研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    56 万元
  • 项目类别:
    面上项目
大地电磁强噪音压制的Multi-RRMC技术及其在青藏高原东南缘—印支块体地壳流追踪中的应用
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目

相似海外基金

Imaging for Multi-scale Multi-modal and Multi-disciplinary Analysis for EnGineering and Environmental Sustainability (IM3AGES)
工程和环境可持续性多尺度、多模式和多学科分析成像 (IM3AGES)
  • 批准号:
    EP/Z531133/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Research Grant
CSR: Small: Multi-FPGA System for Real-time Fraud Detection with Large-scale Dynamic Graphs
CSR:小型:利用大规模动态图进行实时欺诈检测的多 FPGA 系统
  • 批准号:
    2317251
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Investigating Multi-Scale Dynamical Processes Amplifying Storm Surges
研究放大​​风暴潮的多尺度动力学过程
  • 批准号:
    2342516
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: NCS-FR: Individual variability in auditory learning characterized using multi-scale and multi-modal physiology and neuromodulation
合作研究:NCS-FR:利用多尺度、多模式生理学和神经调节表征听觉学习的个体差异
  • 批准号:
    2409652
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: A Multi-faceted Framework to Enable Computationally Efficient Evaluation and Automatic Design for Large-scale Economics-driven Transmission Planning
职业生涯:一个多方面的框架,可实现大规模经济驱动的输电规划的计算高效评估和自动设计
  • 批准号:
    2339956
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
CAREER: Strategic Interactions, Learning, and Dynamics in Large-Scale Multi-Agent Systems: Achieving Tractability via Graph Limits
职业:大规模多智能体系统中的战略交互、学习和动态:通过图限制实现可处理性
  • 批准号:
    2340289
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: GEM--Multi-scale Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere Coupling Dynamics Driven by Bursty Bulk Flows
合作研究:GEM——突发体流驱动的多尺度磁层-电离层-热层耦合动力学
  • 批准号:
    2349872
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Solar Eclipse Workshop: Observations of April 2024 Total Solar Eclipse and Community Discussion of Multi-Scale Coupling in Geospace Environment; Arlington, Texas; April 8-10, 2024
日食研讨会:2024年4月日全食观测及地球空间环境多尺度耦合的社区讨论;
  • 批准号:
    2415082
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Multi-Scale Magnonic Crystals and Fractional Schr?dinger Equation-Governed Dynamics
多尺度磁子晶体和分数阶薛定谔方程控制的动力学
  • 批准号:
    2420266
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Structure Exploiting Multi-Agent Reinforcement Learning for Large Scale Networked Systems: Locality and Beyond
职业:为大规模网络系统利用多智能体强化学习的结构:局部性及其他
  • 批准号:
    2339112
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 25万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了