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Solver comparison for Poisson-like equations on tokamak geometries

Bourne, Emily und Leleux, Philippe und Kormann, Katharina und Kruse, Carola und Grandgirard, Virginie und Güclü, Yaman und Kühn, Martin Joachim und Rüde, Ulrich und Sonnendrücker, Eric und Zoni, Edoardo (2023) Solver comparison for Poisson-like equations on tokamak geometries. Journal of Computational Physics, 488 (1). Elsevier. doi: 10.1016/j.jcp.2023.112249. ISSN 0021-9991.

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Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021999123003443

Kurzfassung

The solution of Poisson-like equations defined on a complex geometry is required for gyrokinetic simulations, which are important for the modelling of plasma turbulence in nuclear fusion devices such as the ITER tokamak. In this paper, we compare three existing solvers finely tuned to solve this problem, in terms of the accuracy of the solution, and their computational efficiency. We also consider practical implementation aspects, including the parallel efficiency of the code, potentially enabling an integration of the solvers in a state-of-the-art first-principle gyrokinetic simulation framework. The first, the Spline FEM solver, uses C1 polar splines to construct a finite elements method which solves the equation on curvilinear coordinates. The resulting linear system is solved using a conjugate gradient method. The second, the GMGPolar solver, uses a symmetric finite difference method to discretise the differential equation. The resulting linear system is solved using a tailored geometric multigrid scheme, with a combination of zebra circle and radial line smoothers, together with an implicit extrapolation scheme. The third, the Embedded Boundary solver, uses a finite volumes method on Cartesian coordinates with an embedded boundary scheme. The resulting linear system is solved using a multigrid scheme. The Spline FEM solver is shown to be the most accurate. The GMGPolar solver is shown to use the least memory. The Embedded Boundary solver is shown to be the fastest in most cases. All three solvers are shown to be capable of solving the equation on a realistic non-analytical geometry. The Embedded Boundary solver is additionally used to attempt to solve an X-point geometry.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/195446/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Solver comparison for Poisson-like equations on tokamak geometries
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bourne, EmilyCEA, IRFM, Saint-Paul-les-Durance, F-13108, Francehttps://orcid.org/0000-0002-3469-2338NICHT SPEZIFIZIERT
Leleux, PhilippeIRIT (at) CRCT Team, INSERM, Toulouse, Francehttps://orcid.org/0000-0002-3760-4698NICHT SPEZIFIZIERT
Kormann, KatharinaRuhr-Universität Bochum, Fakultät für Mathematik, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-1956-2073NICHT SPEZIFIZIERT
Kruse, CarolaParallel Algorithms Team, CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique), 42 Avenue Gaspard Coriolis, 31057 Toulouse Cedex 01, Francehttps://orcid.org/0000-0002-4142-7356NICHT SPEZIFIZIERT
Grandgirard, VirginieCEA, IRFM, Saint-Paul-les-Durance, F-13108, Francehttps://orcid.org/0000-0001-7821-9107NICHT SPEZIFIZIERT
Güclü, YamanMax-Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-2619-5152NICHT SPEZIFIZIERT
Kühn, Martin JoachimMartin.Kuehn (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0906-6984NICHT SPEZIFIZIERT
Rüde, UlrichLehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation), Universität Erlangen-Nürnberg, Nürnberghttps://orcid.org/0000-0001-8796-8599NICHT SPEZIFIZIERT
Sonnendrücker, EricMax-Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-8340-7230NICHT SPEZIFIZIERT
Zoni, EdoardoLawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USAhttps://orcid.org/0000-0001-5662-4646NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2 Juni 2023
Erschienen in:Journal of Computational Physics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:488
DOI:10.1016/j.jcp.2023.112249
Verlag:Elsevier
ISSN:0021-9991
Status:veröffentlicht
Stichwörter:plasma simulation, Poisson equation, tokamak, finite elements, finite differences, finite volumes, multigrid scheme, conjugate gradient
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Hinterlegt von: Kühn, Dr. Martin Joachim
Hinterlegt am:26 Jun 2023 13:06
Letzte Änderung:19 Nov 2024 10:33

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