对流—扩散方程的一种高精度优化差分格式

本文提出了数值求解一维对流-扩散方程的一种高精度优化差分格式,计算了三个典型问题并和前人工作进行了比较,获得了更加令人满意的结果。     

“对流—扩散方程的一种高精度优化差分格式”一文的补充

该文刊登于本刊A辑第6卷第1期(见文献[1])其主要内容是把优化差分方法推广应用于抛物型方程、泊桑方程、和线性化后的N-S方程。这一方法曾被较早地用于其他类型的方程,今简要地介绍其发展过程,供读者参考。 Bickley推导了一种优化差分格式,用9点方形网格计算二维拉普拉斯方程。Chwang和Chen将这一方法用于任意矩形网格。1987年6月Chwang来华讲学时曾介绍了这项工作。这里只做简要介绍。     

一维对流扩散方程的一类新型高精度紧致差分格式

本文对一维无源线性对流扩散方程给出了4种高精度(O(h^2)-O(h^5))三点紧致差分格式，其中每一种格式都是在前一格式基础上进行简单修正得到的，故而计算起来很简便。数值算例表明本文方法优于以往的几种高精度差分格式，且适用于对流占优问题。     

对流扩散问题的一种紧致差分方法

针对一维含源线性对流扩散方程,本文以新的思路构造了一种无条件稳定的二阶基本差分格式,进而通过系数修正给出了一种条件稳定的三阶格式.在格式构造过程中指明了截断误差分析的局限性以及用有限差分格式构造高精度差分格式的真正困难所在,并对常见的几种差分格式从新的角度进行解释分析.数值算例表明本文方法优于以往常用的几种差分格式,且适用于对流占优问题.     

对流扩散方程的变步长摄动有限差分格式

摄动有限差分(PFD)方法是构造高精度差分格式的一种新方法。变步长摄动有限差分方法是等步长摄动有限差分方法的发展和推广。对需要局部加密网格的计算问题,变步长PFD格式不需要对自变量进行数学变换,且和等步长PFD格式一样,具有如下的共同特点：从变步长一阶迎风格式出发,通过把非微商项(对流系数和源项)作变步长摄动展开,展开幂级数系数通过消去摄动格式修正微分方程的截断误差项求出,由此获得高精度变步长PFD格式。该格式在一、二和三维情况下分别仅使用三、五和七个基点,且具有迎风性。文中利用变步长PFD格式对对流扩散反应模型方程,变系数方程及Burgers方程等进行了数值模拟,并与一阶迎风和二阶中心格式及其问题的精确解作了比较。数值试验表明,与一阶迎风和二阶中心格式相比,变步长PFD格式具有精度高,稳定性与收敛性好的特点。变步长PFD格式与等步长PFD格式相比,变步长PFD解在薄边界层型区域的分辨率得到了明显的提高。     

对流扩散反应型方程的一种稳定的算子分裂格式

首先提出了一种求解三维对流扩散反应型方程的算子分裂格式:DF-AD-REA分裂格式。处理纯对流算子时,采用特征线法,而扩散算子和反应项则采用显式差分格式。证明了:当Δt≤Min时,整个分裂算法是稳定的。这里,v是扩散系数的最大值,Nd是空间维数,h和U分别为i方向的空间步长和速度分量,Δt是时间步长。然后,选择一些线性和非线性的对流扩散反应型方程,用数值解与相应分析解的比较来检验算法的收敛性与精度,结果表明算法是有效的。由于算法简单、稳定,且对一、二维空间问题均适用,故可用于粘性流体流动、传质过程(如大气或河流等环境中污染物的传输)以及传热过程(如热、核电厂中的冷却水问题)等众多实际问题的计算中。     

一种计算二维对流扩散方程的数值格式

运用待定系数法,建立了求解二维对流扩散方程的HAUC2格式．数值试验结果表明,该格式具有数值耗散和数值频散较小、节点少、便于应用等特点,且对求解对流扩散方程的对流占优和扩散占优的流动均有较好的适应性．     

对流方程的一种新数值解法

运用修正局部 Crank-Nicolson 方法解流方程, 得到了一种新的计算简单、无条件稳定的显式格式. 计算结果表明, 新格式的计算结果与精确解吻合较好, 与原 Crank-Nicolson 格式相比计算误差明显改善.     

一种满足散度自由的隐式浸入边界法迭代求解格式

该文提出了一种同时满足散度自由和无滑边界条件的隐式浸入边界法迭代求解格式。首先,采用CBS算法(Characteristic-based Split scheme)对动量方程进行求解,然后构建满足散度自由的隐式浸入边界法迭代求解格式。其中,内迭代过程能够满足无滑边界条件,外迭代过程能够满足散度条件,在内迭代过程嵌入到外迭代过程时附加体积力项的计算考虑了速度增量的修正,根据更新后的附加体积力项求解压力,因此该方法能够同时满足散度自由和无滑条件。通过固壁旋转算例验证了该方法精度为1.5阶,通过圆柱绕流算例验证了该方法的精确性,通过颗粒沉降算例证明了该方法能够用于流固耦合问题的模拟。     

A TVD-WAF-based hybrid finite volume and finite difference scheme for nonlinearly dispersive wave equations

A total variation diminishing-weighted average flux(TVD-WAF)-based hybrid numerical scheme for the enhanced version of nonlinearly dispersive Boussinesq-type equations was developed. The one-dimensional governing equations were rewritten in the conservative form and then discretized on a uniform grid. The finite volume method was used to discretize the flux term while the remaining terms were approximated with the finite difference method. The second-order TVD-WAF method was employed in conjunction with the Harten-Lax-van Leer(HLL) Riemann solver to calculate the numerical flux, and the variables at the cell interface for the local Riemann problem were reconstructed via the fourthorder monotone upstream-centered scheme for conservation laws(MUSCL). The time marching scheme based on the third-order TVD RungeKutta method was used to obtain numerical solutions. The model was validated through a series of numerical tests, in which wave breaking and a moving shoreline were treated. The good agreement between the computed results, documented analytical solutions, and experimental data demonstrates the correct discretization of the governing equations and high accuracy of the proposed scheme, and also conforms the advantages of the proposed shock-capturing scheme for the enhanced version of the Boussinesq model, including the convenience in the treatment of wave breaking and moving shorelines and without the need for a numerical filter.