方程
对一维Schrödinger-Boussinesq方程
⎩⎨⎧i∂tψ−ψxx−uψuxx+uxxxx+3(u2)xx−3utt+(∣ψ∣2)xx=0=0
取周期边界.
令ψ=p+iq, vxx=∂tu.
则方程变成
⎩⎨⎧∂tp∂tq∂tu∂tv=−qxx−uq=pxx+up=vxx=31(u+uxx+3u2+∣ψ∣2)
记质量为
∫Ω∣u(x,t)∣2dx
有质量守恒
记能量为
E(p,q,u,v)=∫Ω31u2+∣∇v∣2+32∣∇ψ∣2+31∣∇u∣2−32u3+32u∣ψ∣2dx
有能量守恒.
VP-AVF
空间采取有限差分, 对(u,v)→(p,q)的顺序进行基于变量的AVF方法后, 格式为
⎩⎨⎧δt+pnδt+qnδt+unδt+vn=−Dq21−un+1q21=Dp21+un+1p21=Dv21=31(u21+Du21+∣ψn∣2+(un)2+(un+1)2+unun+1)
其中D表示2阶中心差分离散.
GRD-AVF
在基于格点的AVF方法中, 不妨采取(i−1)→(i)→(i+1)的顺序, 则格式有
⎩⎨⎧δt+Pinδt+Qinδt+Uinδt+Vin=−h21(Qi−1n+1+Qi+1n−2Qi21)−Uin+1(Qin+Qin+1)=h21(Pi−1n+1+Pi+1n−2Pi21)+Uin+1(Pin+Pin+1)=h21(Vi+1n+Vi−1n+1−Vin−Vin+1)=32Ui21+3h21(Ui−1n+1+Ui+1n−Uin+1−Uin)+31∣Ψin∣2+31((Uin)2+(Uin+1)2+UinUin+1)
则将前两式合并后可得数值格式
⎩⎨⎧(i+τUin+1−h2τ)Ψin+1Uin+1+h2τVin+1Vin+1+3h2τ(1−h2−h2Uin)Uin+1−3τ(Uin+1)2=iΨin+h2τ(Ψin−Ψi+1n−Ψi−1n+1)−τUin+1Ψin=h2τ(Vi+1n+Vi−1n+1−Vin+1)+Uin=Vin+3τUin+3h2τ(Ui−1n+1+Ui+1n−Uin)+3τ∣Ψin∣2+3τ(Uin)2
数值验证
精确解算例
- 平面波解
u=2ψ=ei(x−t)
- 孤子波解
ψ=A⋅sech(kx−ωt)tanh(kx−ωt)exp(i(σx+δt))u=B⋅sech2(kx−ωt)
问题
需要启动层