耦合非线性薛定谔方程的平均离散梯度法

能量守恒格式对于准确地模拟微分方程的运动具有重要的意义.本文应用平均离散梯度法和辛算法求解耦合非线性薛定谔方程.数值结果表明平均离散梯度法能很好地模拟耦合非线性薛定谔方程在不同参数下孤立波的演化行为,并能精确地保持方程的离散能量.平均离散梯度法比相应的辛格式更好地保持方程的能量守恒.     

一类高阶KdV类型水波方程的多辛Euler-box格式

高阶KdV类型水波方程作为一类重要的非线性方程有着许多广泛的应用前景．本文主要研究高阶KdV类型水波方程的多辛Euler-box格式．首先,通过正则变换,构造了高阶KdV方程的多辛结构,并得到该系统的多辛守恒律、局部能量守恒律和动量守恒律．然后,我们利用Euler-box格式对高阶KdV方程进行离散,并基于Hamilton空间体系的多辛理论研究了该系统的离散Euler-box格式．我们证明该格式满足离散多辛守恒律,并且给出该格式的向后误差分析．最后,数值算例结果表明该多辛离散格式具有较好的长时间数值稳定性．     

KdV方程的一个紧致差分格式

本文基于经典的有限差分方法,讨论了满足周期边界条件的KdV方程的高精度差分格式的构造问题.通过引入中间函数及紧致方法对空间区域进行离散,提出了KdV方程的一个两层隐式紧致差分格式.利用泰勒展开法得出,该格式在时间方向具有二阶精度,但在空间方向可达到六阶精度.采用线性稳定性分析法证明了该格式是稳定的.数值结果表明:本文所提出的紧致差分格式是有效的,在空间方向拥有较高的精度,还能够很好地保持离散动量和能量守恒性质.     

脉冲微分方程的一个修正block-by-block数值格式

本文利用修正的block-by-block方法针对脉冲微分方程构造了高阶数值格式.修正的block-by-block方法是传统的block-by-block方法的改进,其优点是除第一块外其余每块都能够解耦求解积分方程的高阶数值方法.首先,把脉冲微分方程等价转化为脉冲型积分方程,并利用修正的block-by-block方法进行离散,得到在两个相邻脉冲点中除第一块外其余每块都解耦的高阶数值格式.其次,利用离散的Grownwall不等式证明了数值解逼近精度为四阶.最后,一系列的数值算例验证了理论分析的正确性.     

几个非线性波动方程的数值方法

文采用一种线性隐格式来解Korteweg-de Vries(KDV)/(GKDV)方程,对这种方法做一下推广,就能应用到Kadomtsev-Petviashvili(KP)方程以及它的广义形式(GKP)方程。这种方法是无条件稳定的,且是无损耗的。数值实验描述了一个线性孤波运动的情形以及两个孤波交互的情形,从结果来看,它们满足孤立子解的两个守恒-动量守恒和能量守恒。     

计算气动声学中的高阶Nodal-DG方法研究

气动噪声的直接模拟对数值格式的色散、耗散特性提出了严格的要求。基于描述声波的线性双曲方程,运用本征值方法分析了高阶Nodal-DG方法的色散、耗散特性。结果发现,对于任意给定的m阶多项式基函数,数值波解有m+1个值,但仅有一个能够表示对应微分方程的物理波传播方式,其余的都是寄生波,且两种波型的传播方向相反。通过与Tam的DRP格式和Lele的六阶紧致格式进行比较,发现在相同的计算精度下,Nodal-DG方法的有效求解波数范围介于DRP格式和六阶紧致格式之间。通过对初始扰动为高斯波形的计算比较发现,在较少的网格数下,Nodal-DG方法的计算结果可以与紧致格式的计算结果相比,但优于DRP格式的计算结果,非常适合于气动声学的数值模拟,为气动声场的直接计算提供了一种新的方法     

内孤立波对Spar平台作用力的理论研究

该文采用内孤立波KdV理论和eKdV理论描述内孤立波波面及流场特征,与Morison方程联系,建立了内孤立波对海洋石油开采平台典型Spar平台的水平力理论计算模型。参考南海水深及内孤立波实测数据设定了内孤立波特征参数,并使用典型Spar平台Hoover的参数作为算例,计算了Hoover平台受到的内孤立波水平力。通过与KdV理论的计算结果进行对比,发现eKdV理论对于内孤立波水平力的计算与KdV理论较为接近,但是eKdV理论下的内孤立波波形较为平缓,Spar平台受到的内孤立波水平力持续时间较长,极值稍小于KdV理论下的水平力极值。     

孤立波作用下圆柱桩波浪力计算方法研究EI北大核心CSCD

为研究孤立波作用下跨海桥梁桥墩受到的波浪荷载以得到孤立波波浪力的简化计算方法,利用计算流体力学软件OpenFOAM模拟海洋孤立波,在不同来流波高和初始水深下,开展了2组仿真试验,三维数值模拟用于直接计算圆柱体上的波浪力,二维数值模拟用于推导Morison方程所需的速度场。对比现有文献,讨论原始Morison方程应用于孤立波波浪力计算的适用性以及孤立波非线性的变化规律,并验证了引入非线性项的修正Morison方程预测孤立波荷载的适用性。研究结果表明:在计算孤立波荷载时,非线性影响不可忽视,随着波高和水深的比值H/d的增大,孤立波的非线性越来越强;相比原始Morison方程,考虑非线性影响的修正Morison方程可以更准确地预测孤立波与圆柱桩间的相互作用;应用修正Morison方程进行孤立波荷载预测时,波浪力参数C D,C M的取值与波高H、水深d、圆柱桩直径D的绝对值无关,仅与H/d有关;基于多组仿真试验结果,给出了0.15≤H/d≤0.65内波浪力参数的取值,可为孤立波荷载的快速计算提供参考。     

Degasperis-Procesi方程的周期尖波解和单孤子解

用动力系统的定性分析理论和分支方法,对带有色散项的Degasperis-Proces方程的周期尖波解和单孤子解进行了研究.给出了Degasperis-Procesi方程对应行波系统的相图分支,利用相图从两种不同方式构造了孤立尖波解的解析表达式,并通过数值模拟给出了部分解的图像.     

粘弹性流体模拟的DCQ-QUICK格式

流场中对流项的离散是其数值求解的一大难点.本文基于非结构同位网格格心有限体积法,针对流场守恒方程与Oldroyd-B本构方程的对流项,提出了一种耦合高阶Q-QUICK格式的延迟修正格式.通过平面Poiseuille流在不同We数下数值解与解析解的比较,验证了该方法具有较高的精度和较好的数值稳定性.通过4:1粘弹性收缩流的数值模拟,揭示了不同Re、We数下流场中压力、应力变化及角涡生长情况,同时也表明了该方法可有效扩大We数的计算范围.     

基于波分析法的L型结构弯-扭耦合振动研究

利用波分析法研究了L型转角结构中弯曲波-扭转波的耦合传递规律。在前人研究基础上,提出了新的无量纲系数,将转角平衡方程无量纲化,推导出弯曲波和扭转波在半无限长L型转角处的透射及反射系数,并将该结果应用到有限长转角结构的弯扭耦合振动计算中。通过数值计算分析了弯曲波和扭转波入射条件下转角处结构声能量透射和反射关系,计算表明随着频率上升,总透射能量呈上升趋势,波形转换能量占总能量之比也随之上升。对一L型结构进行了振动测试,并将测试结果与数值计算进行比较,验证了无限结构的透射和反射系数可用于计算有限结构的耦合振动。该研究的结果对船舶声学设计具有指导作用。     

双组份Degasperis-Procesi方程的有界行波解?

本文研究双组分Degasperis-Procesi方程的有界行波解。利用平面动力系统的分岔理论,分析了双组分Degasperis-Procesi方程对应行波系统在参数平面不同区域的分岔相图。进而,依据动力系统相轨中的同宿轨、周期轨与非线性波动方程的孤立波解、周期波解之间的关系,在一定的参数条件下,获得了双组份Degasperis-Procesi方程的孤立波解和周期波解,并借助数值模拟给出了部分解的图像。     

耦合板结构的非结构零阶能量有限元分析

基于薄板高频振动时三种波场的能量流控制方程,用三角形网格划分板结构,推导了非结构零阶能量有限元的计算格式。并运用该方法计算了L型耦合板和简化的汽车外壳,得到各波场在空间上的能量密度结果。将计算结果与统计能量法和能量有限元进行对比,验证了其正确性。计算结果表明,频率很高时面内波能量往往能达到弯曲波能量水平,高频振动仿真时有必要同时考虑三种波场。     

颈动脉粥样硬化斑块模型的谱元法计算

本文考虑人体颈动脉粥样硬化斑块的力学建模及其数值计算.颈动脉粥样硬化斑块的动力学行为由控制血液流动的不可压缩Navier-Stokes方程和控制动脉形变的弹性方程耦合描述,因此完整的硬化斑块模型是一组三维流体/固体耦合方程,其数学理论和数值计算都面临极大的困难.但在一定的假设条件下,该问题可简化为一个弹性力学方程.本文考虑粥样硬化斑块简化模型的数值计算问题.我们构造了一个针对模型简化方程的有效算法,即基于空间方向上的谱元离散和时间方向的Newmark格式的计算方法.分析显示前者对光滑解具有指数收敛性,而后者具有二阶收敛精度并且在特定的参数条件下无条件稳定.论文不仅讨论了连续问题以及半离散问题的稳定性,而且给出了全离散格式的最优误差估计.最后通过数值模拟验证了所提算法的有效性和理论分析结果,并对一些具有实际背景参数的模型问题进行了模拟.     

能量守恒逐步积分方法数值解研究

由于能量守恒逐步积分方法对非线性结构具有很好的无条件稳定性,对Simo能量法、Hughes能量法两类能量守恒逐步积分方法进行了研究,以期获得适合非线性结构的最优算法。首先对两种方法的平衡方程进行对比,分析了它们保证系统能量守恒进而保证无条件稳定的方式。然后从理论上研究了两种方法求解动态平衡方程时得到的数值解,结果表明Simo能量法的平衡方程有唯一解,而Hughes能量法存在多解从而可能会导致求解时出现不合理解。数值算例结果验证了理论分析的正确性,同时表明Simo能量法的计算效率优于Hughes能量法和经典的平均加速度法。理论分析与数值算例结果表明Simo能量法优于Hughes能量法和平均加速度法。     

分数阶微分方程block-by-block算法的最优阶收敛性分析

经典的block-by-block方法是求解积分方程的一种高效的数值方法.研究者们已经把经典的block-by-block方法成功地用在构造非线性分数阶常微分方程的高阶数值格式上,对该格式的收敛性分析也已经有了初步的结果.但数值实验的结果表明目前的理论分析仍未达到最优阶误差估计.本文将利用Taylor公式和积分中值定理对非线性分数阶常微分方程的block-by-block方法的收敛性进行细致的分析,对其获得了最优阶误差估计,最后通过数值算例验证了理论分析的正确性.     

(1+1)维KdV型方程的变速孤波解

利用齐次平衡原则,导出了一(1 1)维KdV型方程的Baecklund变换,借助于该变换．获得了该方程的孤波解：且由孤波解的形式可以看出,变系数影响孤波的振幅及波速。     

Timoshenko梁能量守恒逐步积分算法

该文提出了Timoshenko梁非线性动力分析的能量守恒逐步积分算法。采用共旋技术考虑结构的几何非线性,空间离散采用相关插值形式,避免了剪切锁定现象。在时间离散时利用多参数修正方法对等效的节点动力平衡方程进行修正,实现了离散系统在保守荷载作用下的能量守恒。算法具备二阶局部精度,与已有的平均加速度方法和隐式中点方法相比,具有更好的数值稳定性。在二维情形下与Simo方法对比,指出了Simo方法在受保守外弯矩作用时系统能量不守恒。最后,通过三个数值模拟算例验证了算法的性能和能量守恒特性。     

潜堤上孤立波传播的格子Boltzmann法数值模拟

基于格子Boltzmann法建立求解不可压缩的Navier-Stokes方程的数学模型,对孤立波与矩形潜堤和半圆形潜堤的相互作用过程进行了研究。通过建立二维数值水槽,采用Rayleigh推板造波,模拟了孤立波越过潜堤的过程。通过模拟速度场和自由表面,证明该模型能很好地模拟流动的分离和涡流的产生,结果与已有实验数据吻合。研究表明该模型能够模拟孤立波与潜堤相互作用中的水流分离、涡流产生、波浪破碎和传播等非线性现象。所得结论对于潜堤工程设计具有参考价值。     

一类耦合Burgers-KdV方程差分解的收敛性与稳定性

针对耦合KdV方程的周期边值问题建立了全离散两层加权中心差分格式,得到了差分解的模估计,证明了差分解的存在性、收敛性和稳定性,并且得到了显格式和弱隐格式对于步长τ和h的限制条件。