Efficient extrapolation methods for electro- and magnetoquasistatic field simulations

Abstract

In magneto- and electroquasi-static time domain simulations with implicit time stepping schemes the iterative solvers applied to the large sparse (non-)linear systems of equations are observed to converge faster if more accurate start solutions are available. Different extrapolation techniques for such new time step solutions are compared in combination with the preconditioned conjugate gradient algorithm. Simple extrapolation schemes based on Taylor series expansion are used as well as schemes derived especially for multi-stage implicit Runge-Kutta time stepping methods. With several initial guesses available, a new subspace projection extrapolation technique is proven to produce an optimal initial value vector. Numerical tests show the resulting improvements in terms of computational efficiency for several test problems. In quasistatischen elektromagnetischen Zeitbereichsimulationen mit impliziten Zeitschrittverfahren zeigt sich, dass die iterativen Lösungsverfahren für die großen dünnbesetzten (nicht-)linearen Gleichungssysteme schneller konvergieren, wenn genauere Startlösungen vorgegeben werden. Verschiedene Extrapolationstechniken werden für jeweils neue Zeitschrittlösungen in Verbindung mit dem präkonditionierten Konjugierte Gradientenverfahren vorgestellt. Einfache Extrapolationsverfahren basierend auf Taylorreihenentwicklungen werden ebenso benutzt wie speziell für mehrstufige implizite Runge-Kutta-Verfahren entwickelte Verfahren. Sind verschiedene Startlösungen verfügbar, so erlaubt ein neues Unterraum-Projektion- Extrapolationsverfahren die Konstruktion eines optimalen neuen Startvektors. Numerische Tests zeigen die aus diesen Verfahren resultierenden Verbesserungen der numerischen Effizienz.