High Order Wave Equation Algorithms for the Frequency Domain

频域高阶波动方程算法

基本信息

项目摘要

A defining feature of waves is their ability to carry information over large distances by propagating without changing their shape. It is this ability that allow waves to probe and image the human body, the interior of the earth and engineered structures like bridges and tunnels. Such images can then be turned into scientific and engineering knowledge that can be used to improve medical diagnostics and prevent failure of buildings and mechanical devices. In this project the principal investigator will develop computational simulation tools that increases our ability to exploit the properties of wave propagation for the common good. The tools developed in the project can also be used to design advanced materials that can enable better acoustic, elastic and electromagnetic components as well as faster and more accurate sensing technologies. Students will be trained as a part of this work. The research will further develop and apply advanced computational methods for solving systems of partial differential equations modeling wave propagation. The approximation methods will be designed to be robust and flexible while effectively utilizing emerging computational architectures. The research will dramatically improve the WaveHoltz method, a recently discovered idea that enables the use of time domain methods for wave equations to design frequency domain Helmholtz type solvers. WaveHoltz is remarkable in that its underlying linear operator corresponds to a symmetric positive definite matrix and allows a coercive problem to be solved rather than a highly indefinite Helmholtz problem. The research will analyze and develop wavefront preconditioners and deflation techniques for preconditioning WaveHoltz; design implicit and explicit error corrected methods for removing the temporal error in the WaveHoltz method; and consider multi-frequency versions of the WaveHoltz method.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.
波的一个决定性特征是它们能够在不改变形状的情况下传播信息,从而远距离传输信息。正是这种能力使海浪能够探测和成像人体、地球内部以及桥梁和隧道等工程结构。然后,这些图像可以转化为科学和工程知识,用于改进医疗诊断和防止建筑物和机械设备的故障。在这个项目中,首席研究人员将开发计算模拟工具,以提高我们利用波传播特性实现公共利益的能力。该项目开发的工具还可用于设计先进材料,使其能够实现更好的声学、弹性和电磁组件,以及更快、更准确的传感技术。学生将作为这项工作的一部分接受培训。这项研究将进一步发展和应用先进的计算方法来求解模拟波传播的偏微分方程组。近似方法将被设计为稳健和灵活的,同时有效地利用新兴的计算体系结构。这项研究将极大地改进WaveHoltz方法,这是一种最近发现的想法,它使得使用波动方程的时间域方法来设计频域Helmholtz类型的求解器成为可能。WaveHoltz的显著之处在于它的基本线性算子对应于一个对称的正定矩阵,并允许解决强制问题,而不是高度不确定的Helmholtz问题。这项研究将分析和开发WaveHoltz方法的波前预处理器和收缩技术;设计隐式和显式误差校正方法,以消除WaveHoltz方法中的时间误差;并考虑WaveHoltz方法的多频率版本。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势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

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