成分分层流体中热化学对流模拟的新数值方法
地球物理
2018-02-14 v1
摘要
地幔的地震成像揭示了在下地幔中存在大尺度和小尺度的非均匀体，特别是位于非洲和南太平洋下方的大型低剪切波速省（LLSVP）。大多数解释认为这些非均匀体在成分上不同于上覆地幔，这一解释与化学地球动力学模型相一致。持久成分界面的数值模拟即使对最先进的数值方法也构成挑战。例如，一些用于平流输送成分界面的数值算法，由于为了维持成分变量的上下界和平流方法的稳定性而添加了数值扩散，在流体迁移并随时间依赖的指进现象发生扭曲时，无法保持清晰的成分边界。在这项工作中，我们提出了两种新算法，用于维持比当前地幔对流计算社区公开可用的平流方法更清晰的计算边界，即带有保界限制器的间断 Galerkin 方法和流体体积界面追踪算法。我们将这两种新方法与地幔对流问题中模拟两个不同的、热驱动的成分场平流时常用的两种方法进行了比较，即基于高阶精确有限元法平流算法的方法（该方法采用人工粘性技术来维持成分变量的上下界及平流算法的稳定性）和携带表示各成分场位置的标量粒子的平流方法。所有这四种算法均在开源有限元代码 ASPECT 中实现。
引用
@article{arxiv.1703.02202,
title = {New numerical approaches for modeling thermochemical convection in a compositionally stratified fluid},
author = {Elbridge Gerry Puckett and Donald L Turcotte and Louise H Kellogg and Ying He and Jonathan M Robey and Harsha Lokavarapu},
journal= {arXiv preprint arXiv:1703.02202},
year = {2018}
}