High order asymptotic preserving finite difference WENO schemes with constrained transport for MHD equations in all sonic Mach numbers

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作者
Wei Chen,Kailiang Wu,Tao Xiong
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:488: 112240-112240 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2023.112240
摘要

In this paper, a high-order semi-implicit (SI) asymptotic preserving (AP) and divergence-free finite difference weighted essentially nonoscillatory (WENO) scheme is proposed for magnetohydrodynamic (MHD) equations. We consider the sonic Mach number ε ranging from 0 to O(1). High-order accuracy in time is obtained by SI implicit-explicit Runge–Kutta (IMEX-RK) time discretization. High-order accuracy in space is achieved by finite difference WENO schemes with characteristic-wise reconstructions. A constrained transport method is applied to maintain a discrete divergence-free condition. We formally prove that the scheme is AP. Asymptotic accuracy (AA) in the incompressible MHD limit is obtained if the implicit part of the SI IMEX-RK scheme is stiffly accurate. Numerical experiments are provided to validate the AP, AA, and divergence-free properties of our proposed approach. Besides, the scheme can well capture discontinuities such as shocks in an essentially non-oscillatory fashion in the compressible regime, while it is also a good incompressible solver with uniform large-time step conditions in the low sonic Mach limit.
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