不可压缩流两重稳定有限体积算法应用研究

通过将局部高斯积分稳定化方法和两重网格算法思想紧密结合,提出了粘性不可压缩流体的两重稳定有限体积算法。将该算法的三种迭代格式进行了效率的分析比较。理论分析和数值实验发现：当粗、细网格尺度比例选择适当时,两重算法与传统算法具有相同精度解的同时,效率大大提高;对不同格式的两重有限体积算法进行比较分析发现：Simple格式计算效率最高,Picard格式次之,Newton格式较低。     

虚拟单元有限体积WENO5格式及其应用

本文在笛卡尔网格上给出一种五阶有限体积加权基本无振荡格式首先在二十五个单元构成的空间大模板上构造五次不完全多项式;将此大模板划分为九个子模板,并在其上构造三次不完全多项式;计算线性权,光滑指示器和非线性权;利用三阶TVD Runge-Kutta时间离散方法得到时空一致高精度格式.虽然该格式具有较高数值精度但不能直接应用于具有复杂拓扑结构物体的可压缩绕流问题.为降低该格式对网格的要求,本文采用ST和GBCM两种浸入边界虚拟单元方法处理物面边界条件,将有限体积高精度格式同虚拟单元方法相结合,能有效降低格式构造和网格生成的复杂性.文中给出的多个经典复杂物体绕流问题的数值计算充分表明了本方法的可靠性和有效性.     

基于FEM／SBFEM的无穷域势流问题重叠型区域分解计算

提出了一种将有限元和比例边界有限元相结合求解无穷域势流问题的算法．用两条封闭曲线将求解域划分为存在重叠的有限和无限两个区域,在有限域和无限域上分别用有限元和比例边界有限元方法求解原问题,通过重叠区域交换数据迭代计算,直至收敛．分析了重叠区域面积的大小对计算收敛速度的影响,发现随着重叠区域面积的增大迭代次数减少,收敛速度加快．数值算例显示了算法的正确性和收敛性．本算法为求解无穷域势流问题提供了一个方法．     

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。     

Stokes方程基于多尺度函数的稳定化有限元方法

本文提出一种新的求解Stokes问题的稳定化有限元方法.对于速度场的离散,有限元空间的选取为标准的多项式空间加上多尺度函数.本文证明该方法对于不满足离散的inf-sup条件的最低阶等阶元P_1-P_1元绝对稳定,同时也给出了最优阶误差估计,数值算例验证了理论的正确性.     

不等距网格上求解ODE特征值问题若干高精度格式的计算与分析

本文针对不等距网格,从Raylei曲商(Raylei曲quotient)角度出发,构造了若干求解ODE特征值问题的高阶格式,并进行误差分析.文中高阶格式的构造是基于线性有限元及其对应的差分格式进行的.单纯的线性有限元及其对应的差分格式求解PDE特征值问题都只有二阶精度,我们利用质量集中和加权组合的思想通过将二者结合得到四阶精度的算法.本文从理论和实验的角度构造高阶格式并进行了相应的误差分析.通过在五种网格上计算四阶精度格式的误差阶系数,将四阶格式加权组合的新格式甚至可以达到六阶精度.最后用数值实验验证了构造的高阶格式的误差阶.同时,本文构造的两种四阶格式相对于传统的线性有限元方法,在同等量级误差的要求下,需要的网格数有量级的减少.     

Navier-Stokes方程的三种两层稳定有限元算法计算效率分析

讨论分析了定常Navier-Stokes（N—S）方程的三种两层稳定有限元算法．它们将局部高斯积分稳定化技术和两层算法的思想充分结合,采用不满足Inf-Sup条件的低次等价有限元P1-P1或Q1-Ql对N—S方程进行数值求解,在粗网格上解定常N—S方程,在细网格上只需求解一个Stokes方程．误差分析和数值实验都表明,当它们的粗、细网格尺度比分别为H=h1/3。｜logh｜-1／6,H=O（h1／2）和H=O（h1/2）时,它们与在细网格上的标准有限元算法具有相同的收敛速度．而两层稳定有限元算法却节省了大量的计算时间．相比之下,简单两层稳定有限元算法具有更高的计算效率,Oseen两层算法次之,Newton两层算法较低．而且进一步发现较小粘性系数对Newton两屡算法数值精席影响较大．     

一类二维粘性波动方程的交替方向有限体积元方法

针对二维粘性波动方程模型问题,提出了一类基于双线性插值的交替方向有限体积元方法,并给出了两种具体计算格式,一是基于有限差分方法中Douglas思想的格式,二是一类推广型的局部一维格式.分析证明了该方法按照L~2范数在时间和空间方向均有二阶收敛精度.最后,数值算例验证了算法的有效性和精确性.     

阻力伞流场数值模拟

运用非定常Navier-Stokes(N-S)方程有限体积算法及非结构动网格技术对X-37B飞行器着陆流场进行数值模拟,比较了飞行器在拖挂阻力伞和不拖挂阻力伞两种情况下的流场差异.模拟以混合网格有限体积方法为基础,控制体方程采用N-S方程组,流场计算空间离散采用格点格式,通量计算格式采用Roe,时间离散采用LU-SGS理论和二阶时间精度的双时间步长,湍流模型采用两方程SST湍流模型.动网格技术采用线性弹簧理论处理阻力伞在摆动时流场的变化.阻力伞模型采用中间带气孔的C-9圆锥型降落伞外形,但规模有所缩小,以便适应飞行器.模拟比较了两种情况下着陆流场的差别,并主要比较了两种情况下阻力的差别,从而证明飞行器在拖挂阻力伞的情况下更容易减速着陆.     

任意三角形Laplace特征值问题谱方法的数值对比研究

本文选取多项式、有理多项式以及三角函数等五类函数作为基函数,设计相应的谱方法逼近格式并实现相应算法,对任意三角形上Laplace特征值问题进行数值求解对比研究.比较实验结果显示,谱方法相较于经典有限差分、有限元等低阶方法有较多的可信特征值;其中的Koornwinder多项式谱方法与基于Koornwinder多项式的有理谱方法,其可信特征值的数量达到全部计算特征值的4/π~2,并且达到"指数阶收敛";而三角函数谱方法,则保持了稳定的收敛阶且有较多的可信特征值.     

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。     

时空分数阶扩散方程的扩展混合有限元方法

文章主要讨论了带有双边Riemann-Liouville分数阶导数的分数阶扩散方程.通过引入未知函数的通量p=-K(θ₀I_x^β+(1-θ)_xI₁^β)Du和导数q-Du作为中间变量,建立了相应的鞍点变分格式.基于鞍点格式构造了可同时高精度逼近未知函数,未知函数导数和分数阶通量的L1全离散扩展混合有限元格式.在数值分析中,借助混合元投影算子的投影误差估计得到关于未知函数u的收敛阶为O(τ^2-α+h^{min{k+1,s=1+β/2}}),关于函数导数与分数阶数值通量p的收敛阶为O(τ^2-3α/2+h^{min{k+1,s-1+β/2}}).文中数值实验表明,所提出的L¹全离散扩展混合有限元格式具有理想的数值逼近效果.     

新的求解二维浅水方程的高分辨率有限体积法

随着海洋开发、灾害预防等方面的发展,浅水方程的求解越来越受到人们的重视.文中在文献[1]的基础上提出一种新的求解二维浅水方程的有限体积格式,并将文献[2]中给出的新型可微限制器函数运用到上述有限体积法求解二维浅水波问题的过程当中,建立新的可求解二维浅水方程的新的高分辨率有限体积法.文中提出的方法由预估阶段和校正阶段组成,该方法是在非结构化三角网格中实现的.运用这种方法模拟超临界流斜水跃现象,数值试验结果显示所提出的有限体积法具有很好的非震荡性.     

三维Euler方程的隐式间断有限元算法

为了求解三维欧拉方程,对隐式时间离散格式间断有限元方法进行了研究。根据间断Galerkin有限元方法思想,构造内迭代SOR-LU-SGS隐式时间离散格式,结合当地时间步长技术、多重网格方法,实现了三维流场的计算。数值计算了ONERAM6机翼、大攻角尖前缘三角翼以及DLR-F4翼身组合体的亚声速绕流问题。结果表明,加入SOR内迭代步的LU-SGS隐式算法具有较大的优势,相较于GMRES算法所占用的内存少且收敛速度相当,是LU-SGS算法的三倍以上。针对三维算例,具有较好的稳定性和较高的收敛速度,能够给出准确的流场信息。与原方法相比,SOR-LU-SGS方法无论是在迭代步数上还是在CPU时间上,效率均有明显提高,适合于三维复杂流场计算。     

具有间断系数热传导方程的局部间断Galerkin方法

本文给出了求解具有间断系数热传导方程稳定的局部间断Galerkin方法.理论表明,当采用k阶多项式有限元空间逼近时,该方法连续时间的L~2模误差估计阶为O(h~(k+1/2)).文中分别应用显式和隐式时间离散求解局部间断Galerkin格式,数值算例验证了方法的有效性和理论结果.     

改进的牛顿预测–校正格式

在数值分析领域中,牛顿算法由于其形式的简单性及快速的收敛性而被广泛地应用于求解非线性方程问题.受一类求解方程的预测–校正技术的启示,本文针对求解非线性方程单根的问题提出了一种牛顿预测–校正格式,并将其推广到多维向量值函数情况.为此,首先用图描述了这种新的预测–校正格式并导出了其收敛阶.这种新格式每步迭代仅需计算一次函数值和一次导函数值.然后,经过测试函数的检验,并与牛顿算法及其他高阶算法(1+√2阶、3阶、4阶、5阶、6阶)比较,表明新算法具有较快的收敛性.最后,将这种新格式推广到多维向量值函数,采用泰勒公式证明了其收敛性,并给出了一个二维算例来验证其收敛的有效性.     

一类Lagrange坐标系下的ENO有限体积格式

本文首先从积分形式的二维Lagrange流体力学方程组出发,使用ENO高阶插值多项式,推广了四边形结构网格下的一阶有限体积格式,构造得到了一类结构网格下的高精度有限体积格式.该格式针对单介质问题具有良好的计算效果,同时在处理多介质问题时,不会产生物质界面附近强烈的震荡.结合有效的守恒重映方法,用ALE方法进行数值模拟,得到了预期的效果.     

基于SIMPLE算法求解Navier-Stokes方程

介绍求解Navier-Stokes的数值解法,针对不可压缩流体的的数值解法有涡量-流函数方法和SIMPLE方法,对基于同位网格的SIMPLE算法作详细讨论,给出该算法的推导过程,最终得出求解SIMPLE算法的求解步骤,应用该求解步骤对具体实例求解,得出结论。     

高阶驻点上精度保持的六阶WENO有限差分格式

在五阶WENO有限差分格式的基础上,六阶WENO有限差分格式引入了额外的四点模板,减少了WENO格式的数值耗散.然而,该格式在驻点上无法达到理想收敛阶.为解决此问题,本文在非线性权重中引入整体模板的光滑性修正因子,使得驻点上非线性权重更快地收敛于理想权重,理论分析表明改进后的六阶格式能够在驻点上达到理想的六阶精度.驻点上的收敛阶测试和间断问题的数值实验表明,新提出的六阶WENO格式不仅在驻点上能够保持理想收敛精度,在间断问题上能保持本质无振荡的激波捕捉性质,同时在双曲守恒律解的光滑区域有效地求解细小尺度结构,还能够保持原有的六阶格式的计算效率.     

变系数偏微分方程的Galerkin KPOD模型降阶方法

研究了变系数偏微分方程的 Galerkin KPOD (Krylov Enhanced Proper Orthogonal Decomposition)模型降阶方法.首先基于Galerkin有限元理论建立变系数偏微分方程的空间离散格式,得到具有时变系数矩阵的常微分方程组,并对该常微分方程组应用KPOD模型降阶方法进行降阶并求解.其次,对降阶投影算子进行了分析,给出了 Galerkin有限元解与Galerkin KPOD降阶解之间的误差界.最后用数值算例验证了变系数偏微分方程的Galerkin KPOD模型降阶求解方法的可行性,通过有限元离散解与Galerkin KPOD降阶解、Galerkin POD降阶解之间的误差比较,体现Galerkin KPOD降阶方法的优势.