一维非定常对流扩散方程的高阶组合紧致迎风格式

通过将对流项采用四五阶组合迎风紧致格式离散,扩散项采用四阶对称紧致格式离散之后,对得到的半离散格式在时间方向采用四阶龙格库塔方法求解,从而得到了一种求解非定常对流扩散方程问题的高精度组合紧致有限差分格式,其收敛阶为O(h~4+τ~4).经Fourier精度分析和数值验证,证实了格式的良好性能.三个数值算例包括线性常系数问题,矩形波问题和非线性问题,数值结果表明:该格式具有很高的分辨率,且适用于对高雷诺数问题的数值模拟.     

一种基于WENO重构的半离散中心迎风格式

通过三阶WENO重构和半离散中心迎风数值通量的结合,给出了一种求解双曲型守恒律方程的三阶半离散中心迎风格式,格式保持了中心差分格式方法简单的优点．数值计算的结果表明该方法具有较高的分辨率．     

Cahn-Hilliard方程多重网格求解器收敛性分析

Cahn-Hilliard(CH)方程是相场模型中的一个基本的非线性方程，通常使用数值方法进行分析。在对CH方程进行数值离散后会得到一个非线性的方程组，全逼近格式(Full Approximation Storage, FAS)是求解这类非线性方程组的一个高效多重网格迭代格式。目前众多的求解CH方程主要关注数值格式的收敛性，而没有论证求解器的可靠性。文中给出了求解CH方程离散得到的非线性方程组的多重网格算法的收敛性证明，从理论上保证了计算过程的可靠性。针对CH方程的时间二阶全离散差分数值格式，利用快速子空间下降(Fast Subspace Descent, FASD)框架给出其FAS格式多重网格求解器的收敛常数估计。为了完成这一目标，首先将原本的差分问题转化为完全等价的有限元问题，再论证有限元问题来自一个凸泛函能量形式的极小化，然后验证能量形式及空间分解满足FASD框架假设，最终得到原多重网格算法的收敛系数估计。结果显示，在非线性情形下，CH方程中的参数ε对网格尺度添加了限制，太小的参数会导致数值计算过程不收敛。最后通过数值实验验证了收敛系数与方程参数及网格尺度的依赖关系。     

随机外激非线性系统FPK方程的四阶中心C-N型隐式差分解

研究了非线性随机动力系统所对应的Fokker-Planck-kolmogorov(FPK)方程.讨论了微分方程的可朗克(Crank)一尼考尔逊(Nicolson)型隐式有限差分格式以及微分的四阶中心差分格式,将两者相结合,得到FPK方程的四阶中心C-N隐式格式差分解,并与FPK方程的精确解进行了比较.数值结果表明,该方...     

动态中子输运方程迭代初值的选取方法

研究离散纵标动态中子输运方程迭代求解时,迭代初值的不同选取方法,设计合理的迭代初值可以适当放宽对时同步长的限制,缩短计算时间.设计四种迭代初值并应用于数值求解中的等比格式和菱形格式,其中等比格式形成非线性离散方程,菱形格式形成线性离散方程.考察不同迭代初值的计算效率,分别对物理量变化平缓以及变化剧烈的问题进行考察.数值算例表明构造的基于物理量随时间走势的预估值作为迭代初值优势明显,这在保证计算精度的前提下提高了数值计算效率.     

一类四阶微积分方程的四阶差分格式

针对由吊桥模型而建立的四阶微积分方程,提出了四阶差分格式进行求解．对线性项采用紧格式进行离散,积分项则采用复化辛普森求积公式处理,再结合Newton型迭代法对方程进行求解．给出了差分格式解的存在性和收敛性的证明．数值结果表明格式的精度为O（h4）．     

两类相场方程的紧致指数时间差分法设计

本文针对相场方程提出稳定的高阶紧致指数时间差分算法.该算法具有完全显式的特性,从而避免了求解线性或非线性方程组.算法使用精确指数时间差分和多步法近似以保证精确性;通过线性算子分裂控制刚性非线性项以增强稳定性;同时引入有限差分格式的紧致表示大大降低了指数时间差分法的存储需求和计算量.算法的精确性和高效性通过CahnHilliard方程和Willmore问题相场模型的大规模三维模拟进行了验证.     

三维对流扩散方程的多重网格算法研究

研究了三维对流扩散方程基于有限差分法的多重网格算法。差分格式采用一般网格步长下的二阶中心差分格式和四阶紧致差分格式,建立了与两种格式相适应的部分半粗化的多重网格算法,构造了相应的限制算子和插值算子,并与传统的等距网格下的完全粗化的多重网格算法进行了比较。数值研究结果表明,对于各向异性问题,一般网格步长下的部分半粗化多重网格算法比等距网格下的完全粗化多重网格算法具有个更高的精度和更好的收敛效率。     

非线性Leland方程的一种并行本性差分方法

非线性Leland方程（支付交易费用的期权定价模型）数值解法的研究具有重要的实际意义,本文对非线性Leland方程构造了一种具有并行本性的差分格式一一交替分段CrankoNicolson（ASC—N）格式,给出差分格式解的存在唯一性、稳定性分析及解的误差估计,理论分析表明ASC—N格式为无条件稳定的并行差分格式．数值试验显示ASC—N格式的计算精度与经典的Crank—Nicolson格式相当,但其计算时间要比经典的Crank—Nicolson格式节省将近50％,数值试验验证了理论分析,表明本文的ASC—N格式对求解非线性Leland方程是有效的．     

一维线性双曲方程初边值问题的高阶差分格式

1.引 言 运用差分方法求解偏微分方程时,高精度的数值解在实际应用领域中有重要的意义,因此,构造高精度的差分格式一直是数值分析家们很感兴趣的问题之一.在文[1]和[2]中,作者对线性双曲方程建立了高阶的差分格式.考虑如下的双曲模型方程的初边值问题     

一类非线性抛物型方程的紧差分格式

本文研究了一维非线性抛物型方程的紧差分格式.首先将非线性项线性化,并参照线性抛物型方程的紧差分格式的推导思路导出了非线性抛物型方程的紧差分格式,并给出了截断误差表达式.其次用能量方法分析了紧差分格式,导出了先验估计式,证明了差分格式的可解性、稳定性和收敛性,确定收敛阶为O(τ~2+h~4)然后将Richardson外推法应用于紧差分格式,外推一次得到具有O (τ~4+r~2h~4+h~6)阶精度的近似解.最后通过数值算例,表明非线性抛物型方程的紧差分格式及其外推格式具有较高的收敛精度.     

具有巴黎期权特性的可转债定价问题研究

采用有限差分方法对基于Black—Scholes方程的可转债定价模型进行数值求解,用Euler-Lagrange分裂格式离散包含具有巴黎期权特性的赎回条款的修正Black—Scholes方程,并以工行转债和中行转债的历史数据为例,比较不同的数学模型中定价结果与实际价格的差异,分析标的股票处在不同价位水平时不同定价模型对可转债问题的适用性．     

有限差分法的并行化计算实现

有限差分法是求解偏微分方程近似解的一种重要的数值方法。并行化计算可提高复杂计算问题的效率,二维场中拉普拉斯方程的差分格式非常适合并行化方法的计算。如何将串行部分并行化以提高大规模计算的效率,MPI（消息传递接口）是实现并行程序设计的标准之一。虚拟进程（MPI_PROC_NULL）是MPI中的假想进程,它的引用可简化MPI编程中的通信部分,引入虚拟进程编写代码,可实现有限差分方法的并行化计算。     

一维非线性系统FPK 方程的TVD Runge⁃Kutta WENO 型差分解

首先研究了非线性随机动力系统所对应的Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程.其次,讨论了微分方程的三阶TVD Runge-Kutta关于时间的离散差分格式以及关于空间离散的五阶Weighted Essentially nonOscillatory(WENO)差分格式,并将其相结合,得到FPK方程的TVD Runge-Kutta WENO差分解,并与FPK方程的精确解进行了比较.数值结果表明,该方法具有良好的稳定性,且可以解决其他方法在概率密度峰值处偏小,而在尾部处较大等缺点.     

双曲方程基于分离算子的交替方向差分算法

因为在自然科学领域有着广泛的应用,双曲型方程组的数值求解一直是研究的热点．本文中,为求解一类非线性二阶双曲型方程,将方程中的非线性椭圆微分算子分解为线性部分和非线性部分,对线性部分用隐格式逼近,对非线性部分用显格式逼近,这种方法可以把非线性问题转化成每一时间层只有右端项不同的线性方程组,计算简单且计算格式绝对稳定;交替方向格式可以把多维问题转化成一维问题,x,y两个方向的迭代矩阵均为三对角矩阵,结构相同,易于编程并行计算．最后通过数值实验表明结果符合理论分析．     

求解双曲守恒律及其对流扩散方程的中心迎风方法

提出了一种新的求解双曲守恒律方程(组)的四阶半离散中心迎风差分方法．空间导数项的离散采用四阶CWENO(central weighted essentially non—oscillatory)的构造方法,使所得到的新方法在提高精度的同时,具有更高的分辨率．使用该方法产生的数值粘性要比交错的中心格式小,而且由于数值粘性与时间步长无关,从而时间步长可根据稳定性需要尽可能的小．     

具有端点质量的一维波动方程半离散格式的一致指数稳定性

无穷维系统主要由偏微分方程描述, 可是大部分用偏微分方程描述的控制系统, 无论是单纯的数值实验还是需要应用到实际的问题中去, 都需要对方程进行有限数值离散. 本文考虑了端点带有质量的波动方程在边界反馈控制下半离散格式的一致指数稳定性. 首先, 原闭环系统通过降阶法变成低阶的等价系统, 通过一种间接Lyapunov函数方法证明了降阶等价的连续系统是一致指数稳定的. 其次, 对等价系统空间变量离散得到半离散的差分格式.平行于连续系统, 间接Lyapunov函数方法证明了半离散系统的一致指数稳定性. 数值实验证明了基于降阶法的一致指数稳定性和经典半离散格式的非一致指数稳定性.     

聚合物驱最优控制问题求解算法的设计与实现

为了获得聚合物驱油的最大利润,通过最优控制来确定聚合物的最佳注入策略是一种有效的方法。该最优控制问题的数值解涉及到油藏数值模拟、伴随方程和非线性规划问题。给出了基于面向对象的算法设计方案及其实现细节。利用全隐式差分格式离散化聚合物驱模型,并采用Newton-Raphson求解所得到非线性方程组,在求解前向模型的同时构造了伴随方程。对一个三维聚合物驱注入问题进行了实例求解,表明了所实现算法的实用性和有效性。     

有限差分法的并行化计算实现

有限差分法是求解偏微分方程近似解的一种重要的数值方法。串行算法并不能高效的解决大规模复杂计算问题,并行化计算方法可提高复杂计算问题的效率,从而使并行机上计算有限差分问题成为可能。二维场中拉普拉斯方程的差分格式非常适合并行化方法的计算,将串行部分并行化以提高大规模计算的效率具有重要的现实意义。MPI(消息传递接口)是实现并行程序设计的标准之一。虚拟进程(MPI_PROC_NULL)的引用简化了MPI编程中的通信部分,串行算法可更改为并行化计算方法,最终实现有限差分方法的并行化计算。     

三维激光烧蚀流体界面不稳定性程序的并行化

在共享存储并行机和MPP并行机上,基于MPI(MessagePassingInterface)并行编程环境,本文研究三维激光烧蚀界而不稳定性程序(Lared-S)的并行实现.三维激光烧蚀的数值模拟采用分裂方法,其90％以上的计算负载存在于流体方程和热传导方程的求解(流体方程的求解采用分裂显格式,热传导方程的求解采用分裂隐格式).本文给出基于三维分裂格式的交替平面数据通信模式.分裂隐格式的求解转化为三对角方程组的求解,其并行实现采用块流水线并行算法.数值实验结果表明交替平面数据通信策略和块流水线并行算法是有效且可扩展的.在共享存储并行机上,应用64台处理机获得93％以上的并行效率;在MPP并行机上,应用128台处理机获得90％以上的并行效率.