A Meshfree RBF-FD Constant along Normal Method for Solving PDEs on Surfaces

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作者
Víctor Bayona,Argyrios Petras,Cécile Piret,Steven J. Ruuth
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:46 (6): A3897-A3921
标识
DOI:10.1137/23m1621265
摘要

This paper introduces a novel meshfree methodology based on Radial Basis Function-Finite Difference (RBF-FD) approximations for the numerical solution of partial differential equations (PDEs) on surfaces of codimension 1 embedded in $\mathbb{R}^3$. The method is built upon the principles of the closest point method, without the use of a grid or a closest point mapping. We show that the combination of local embedded stencils with these principles can be employed to approximate surface derivatives using polyharmonic spline kernels and polynomials (PHS+Poly) RBF-FD. Specifically, we show that it is enough to consider a constant extension along the normal direction only at a single node to overcome the rank deficiency of the polynomial basis. An extensive parameter analysis is presented to test the dependence of the approach. We demonstrate high-order convergence rates on problems involving surface advection and surface diffusion, and solve Turing pattern formations on surfaces defined either implicitly or by point clouds. Moreover, a simple coupling approach with a particle tracking method demonstrates the potential of the proposed method in solving PDEs on evolving surfaces in the normal direction. Our numerical results confirm the stability, flexibility, and high-order algebraic convergence of the approach.

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