Claudius B. Birke

• Physical regimes characterized by low Mach numbers and steep stratifications pose severe challenges to standard finite volume methods. We present three new methods specifically designed to navigate these challenges by being both low Mach compliant and well-balanced. These properties are crucial for numerical methods to efficiently and accurately compute solutions in the regimes considered. First, we concentrate on the construction of an approximate Riemann solver within Godunov-type finite volume methods. A new relaxation system gives risePhysical regimes characterized by low Mach numbers and steep stratifications pose severe challenges to standard finite volume methods. We present three new methods specifically designed to navigate these challenges by being both low Mach compliant and well-balanced. These properties are crucial for numerical methods to efficiently and accurately compute solutions in the regimes considered. First, we concentrate on the construction of an approximate Riemann solver within Godunov-type finite volume methods. A new relaxation system gives rise to a two-speed relaxation solver for the Euler equations with gravity. Derived from fundamental mathematical principles, this solver reduces the artificial dissipation in the subsonic regime and preserves hydrostatic equilibria. The solver is particularly stable as it satisfies a discrete entropy inequality, preserves positivity of density and internal energy, and suppresses checkerboard modes. The second scheme is designed to solve the equations of ideal MHD and combines different approaches. In order to deal with low Mach numbers, it makes use of a low-dissipation version of the HLLD solver and a partially implicit time discretization to relax the CFL time step constraint. A Deviation Well-Balancing method is employed to preserve a priori known magnetohydrostatic equilibria and thereby reduces the magnitude of spatial discretization errors in strongly stratified setups. The third scheme relies on an IMEX approach based on a splitting of the MHD equations. The slow scale part of the system is discretized by a time-explicit Godunov-type method, whereas the fast scale part is discretized implicitly by central finite differences. Numerical dissipation terms and CFL time step restriction of the method depend solely on the slow waves of the explicit part, making the method particularly suited for subsonic regimes. Deviation Well-Balancing ensures the preservation of a priori known magnetohydrostatic equilibria. The three schemes are applied to various numerical experiments for the compressible Euler and ideal MHD equations, demonstrating their ability to accurately simulate flows in regimes with low Mach numbers and strong stratification even on coarse grids.…
• Physikalische Regime mit sehr niedrigen Machzahlen und starken Abschichtungen stellen konventionelle Finite Volumen Verfahren vor erhebliche Herausforderungen. In dieser Arbeit präsentieren wir drei neue Verfahren, die in der Lage sind, die Herausforderungen zu bewältigen. Die neuen Verfahren sind speziell an kleine Machzahlen angepasst und können (magneto-)hydrostatische Gleichgewichte exakt erhalten. Diese Eigenschaften sind essentiell für eine effiziente Berechnung präziser Lösungen in den betrachteten Regimen. Zunächst konzentrieren wirPhysikalische Regime mit sehr niedrigen Machzahlen und starken Abschichtungen stellen konventionelle Finite Volumen Verfahren vor erhebliche Herausforderungen. In dieser Arbeit präsentieren wir drei neue Verfahren, die in der Lage sind, die Herausforderungen zu bewältigen. Die neuen Verfahren sind speziell an kleine Machzahlen angepasst und können (magneto-)hydrostatische Gleichgewichte exakt erhalten. Diese Eigenschaften sind essentiell für eine effiziente Berechnung präziser Lösungen in den betrachteten Regimen. Zunächst konzentrieren wir uns auf die Konstruktion eines approximativen Riemannlösers innerhalb von Godunov-artigen Finite Volumen Verfahren. Ein neues Relaxationssystem führt zu einem Relaxationslöser für die Euler Gleichungen mit Gravitation, der zwei Relaxationsgeschwindigkeiten verwendet. Abgeleitet von grundlegenden mathematischen Prinzipien reduziert dieser Löser die künstliche Dissipation im subsonischen Bereich und erhält hydrostatische Gleichgewichte. Der Löser ist besonders stabil, da er eine diskrete Entropieungleichung erfüllt, die Positivität von Dichte und interner Energie bewahrt und Schachbrettmuster unterdrückt. Das zweite Verfahren löst die idealen MHD Gleichungen und kombiniert verschiedene Ansätze, um die einzelnen numerischen Herausforderungen zu bewältigen. Für einen effizienten Umgang mit niedrigen Machzahlen wird eine Variante des HLLD Lösers mit künstlich niedriger Dissipation sowie eine teilweise implizite Zeitdiskretisierung zur Lockerung der CFL Zeitschrittbeschränkung gewählt. Eine Deviation Well-Balancing Methode wird angewendet, um magnetohydrostatische Gleichgewichte zu bewahren und dadurch das Ausmaß von räumlichen Diskretisierungsfehlern in stark geschichteten Atmosphären zu reduzieren. Das dritte Verfahren verwendet einen IMEX Ansatz, welcher auf einer Aufspaltung der MHD Gleichungen basiert. Das Teilsystem mit langsamen Ausbreitungsgeschwindigkeiten wird durch eine zeit-explizite Godunov-artige Methode diskretisiert, während das Teilsystem mit schnellen Ausbreitungsgeschwindigkiten implizit durch zentrale finite Differenzen diskretisiert wird. Numerische Dissipationsterme und die CFL Zeitschrittbeschränkung der Methode hängen somit nur von den langsamen Wellen des expliziten Teils ab, so dass die Methode besonders für subsonische Regime geeignet ist. Deviation Well-Balancing gewährleistet die Erhaltung a priori bekannter magnetohydrostatischer Gleichgewichte. Die drei Verfahren werden auf numerische Experimente für die kompressiblen Euler und idealen MHD Gleichungen angewendet und zeigen darin ihre Fähigkeit, Strömungen in Regimen mit niedrigen Machzahlen und starker Schichtung auch auf groben diskreten Gittern akkurat zu simulieren.…