Accurate Solution and Gradient Computation for Elliptic Interface Problems with Variable Coefficients

数学 计算 变量(数学) 接口(物质) 椭圆曲线 应用数学 数学分析 算法 计算机科学 并行计算 最大气泡压力法 气泡
作者
Zhilin Li,Haifeng Ji,Xiaohong Chen
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:55 (2): 570-597 被引量:44
标识
DOI:10.1137/15m1040244
摘要

A new augmented method is proposed for elliptic interface problems with a piecewise variable coefficient that has a finite jump across a smooth interface. The main motivation is not only to get a second order accurate solution but also a second order accurate gradient from each side of the interface. The key of the new method is to introduce the jump in the normal derivative of the solution as an augmented variable and re-write the interface problem as a new PDE that consists of a leading Laplacian operator plus lower order derivative terms near the interface. In this way, the leading second order derivatives jump relations are independent of the jump in the coefficient that appears only in the lower order terms after the scaling. An upwind type discretization is used for the finite difference discretization at the irregular grid points near or on the interface so that the resulting coefficient matrix is an M-matrix. A multi-grid solver is used to solve the linear system of equations and the GMRES iterative method is used to solve the augmented variable. Second order convergence for the solution and the gradient from each side of the interface has also been proved in this paper. Numerical examples for general elliptic interface problems have confirmed the theoretical analysis and efficiency of the new method.

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