对流扩散方程的摄动有限体积(PFV)方法及讨论

在有限体积(FV)方法的重构近似中,引入数值摄动处理,即把界面数值通量摄动展开成网格间距的幂级数,并利用积分方程自身的性质求出幂级数的系数,同时获得高精度迎风和中心型摄动有限体积(PFV)格式.对标量输运方程给出积分近似为二阶、重构近似为二、三和四阶迎风和中心型PFV格式,这些PFV格式的结构形式及使用基点数与一阶迎风格式完全一致,迎风PFV格式满足对流有界准则;二阶和四阶中心PFV格式对网格Peclet数的任意值均为正型格式,比常用的二阶中心格式优越.用一维标量输运和方腔流动算例说明PFV格式的优良性能,并把PFV方法与性质相近的摄动有限差分(PFD)方法及相关的高精度方法作了对比分析.     

数值摄动算法及其CFD格式

作者提出的数值摄动算法把流体动力学效应耦合进NS方程组和对流扩散（CD）方程离散的数学基本格式（MBS）,特别是耦合进最简单的MBS即一阶迎风和二阶中心格式之中,由此构建成一系列新格式,称呼方便和强调耦合流体动力学起见,称它们为流体力学基本格式（FMBS）。构建FMBS的主要步骤是把MBS中的通量摄动重构为步长的幂级数,利用空间分裂和导出的高阶流体动力学关系式,把结点变量展开成Taylor级数,通过消除重构格式修正微分方程的截断误差诸项求出幂级数的待定系数,由此获得非线性FMBS。FMBS的公式是MBS与 （及 ）之简单多项式的乘积, 和 分别是网格Reynolds数和网格CFL数。FMBS和MBS使用相同结点,简单性彼此相当,但FMBS精度高稳定范围大,例如FMBS包含了许多绝对稳定和绝对正型、高阶迎风和中心有限差分（FD）格式和有限体积（FV）格式,这些格式对网格Reynolds数的任意值均为不振荡格式。可见对不振荡CFD格式的构建,数值摄动算法提供了不同于调节数值耗散等常见的人为构建方法,而利用流体力学自身关系以及把迎风机制通过上、下游摄动重构引入中心MBS的解析构建方法,FMBS除了直接应用于流体计算外;对于通过调节数值耗散、色散和数值群速度特性重构高分辨率格式的研究,最简单FMBS提供了比最简单MBS更精确、但同样简单的基础和起步格式。FMBS用于计算不可压缩流,可压缩流,液滴萃取传质,微通道两相流等,均获得良好数值结果或与已有Benchmark解一致的数值结果。已有文献称数值摄动算法为新型高精度格式和高的算法和高的格式;本文FMBS比数值摄动格式的称呼可更好反映FMBS的物理内容。文中也讨论了值得进一步研究的一些课题,该法亦可用于其它一些数学物理方程（例如,简化Boltzmann方程、磁流体方程、KdV-Burgers方程等）MBS耦合物理动力学效应的重构。      

双剪统一弹塑性有限差分方法研究

基于拉格朗日有限差分方法,建立了双剪统一弹塑性有限差分计算格式,并利用VC++语言编写动态链接库文件将双剪统一弹塑性模型导入拉格朗日有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)中进行计算分析。双剪统一弹塑性有限差分方法可以模拟复杂应力状态下结构的渐进破坏,无需形成刚度矩阵,对于材料非线性问题无需进行迭代计算,因此在理论和工程应用中都有积极的意义。本文利用双剪统一弹塑性有限差分方法对拉压强度不等材料的厚壁圆筒受内压、中心带孔板条受拉压、条形基础下的地基极限分析及边坡问题进行了数值分析并与滑移线场等解析方法计算结果进行对比,结果均吻合较好。     

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

多尺度有限差分方法求解波动方程

小波分析是多尺度分析方法,本文利用具有紧支集的正交小波变换对有限差分方程进行空间多尺度近似,提出适合于层状介质波传问题数值计算的多尺度有限差分方法,将波动方程的求解转换到小波域中进行。利用小波基的自适应性与消失矩特性,有效减少了计算量、提高了稳定性,扩大了可求解的速度范围。地球物理勘探中的数值实例显示了算法具有良好效率。     

用物理黏性构建高阶不振荡对流扩散差分格式

利用数值摄动算法, 通过扩散格式数值摄动重构把对流扩散方程的2阶中心差分格式(2-CDS)重构为高精度高分辨率格式, 解析分析和模型方程计算证实了新格式的高精度不振荡性质. 新格式是把物理黏性使流动光滑化的扩散运动规律引入2-CDS 中的结果. 该法显然与构建高级离散格式的常见方法不同. 证实: 数值摄动重构中引入扩散运动规律的结果格式与引入对流运动规律(下游不影响上游的规律)的结果格式一致, 说明对离散方程的数值摄动运算, 在维持原格式结构形式不动的条件下, 不仅能提高格式精度和稳健性, 且可揭示对流离散运动规律与扩散离散运动规律之间的内在关联;同时证实, 文中提出和使用的上、下游分裂方法是构建高精度不振荡离散格式的一个有效方法.     

一种求解双曲方程新的有限差分算法

本文提出一种适于求解一阶双向系统的新的差分格式。它的建立方法是：将所要求解的方程与解的空间导数所满足的微分方程同时离散化，然后再通过插值函数构成封闭的离散变量代数方程。在线性情况下的误差分析表明：该格式的幅值与位相误差均小于常用的一、二阶差分格式；当其应用于非线性气动方程求解时，基本上可以消除数值扩散与振荡这两种非正常现象。     

迷宫密封中流场的有限差分模拟

本文用k-ε紊流模型和可压缩流体压力修正方程以及SIMPLEC算法对时均形式的二维N-S方程进行了求解,得到了单腔室迷宫密封中的流场特性,其结果可以用来改进迷宫密封转子动力特性的分析模型.     

非均匀介质弹性波动方程的不规则网格有限差分方法

从弹性波动方程出发,提出了一种新的空间不规则网格有限差分方法,并用于求解非均匀各向异性介质中的弹性波正演问题。这种方法简单易行,对于复杂几何结构,例如低速层、套管井和非平面界面等,在较细的不规则网格上进行离散,计算时间和占用内存更少。与多重网格差分方法相比,该方法不需要粗、细网格之间的插值,所有网格差分计算在同一次空间迭代中完成。具有复杂几何交界面的模型计算,包括地下透镜体、套管井眼等,在确定弹性常数和密度后,用不规则网格的差分方法更易实现。该方法使用了Higdon吸收边界条件解决人工边界反射问题,引入了新的稳定性条件和网格频散条件,很好地消除了非物理散射波。理论模型的效值计算表明,该方法具有良好的稳定性和计算精度,在模拟非均匀介质弹性波传播时,比相同精度的规则网格有限差分方法计算速度更快。该方法易于推广到非结构网格和三维问题中。     

Sloshing simulation of standing wave with time-independent finite difference method for Euler equations

The numerical solutions of standing waves for Euler equations with the nonlinear free surface boundary condition in a two-dimensional(2D) tank are studied.The irregular tank is mapped onto a fixed square domain through proper mapping functions. A staggered mesh system is employed in a 2D tank to calculate the elevation of the transient fluid.A time-independent finite difference method,which is developed by Bang-fuh Chen,is used to solve the Euler equations for incompressible and inviscid fluids.The numer...     

求解气动方程的混合反扩散方法

本文综述了反扩散格式的发展,指出利用混合反扩散方法,理论上既可导出Beam—Warming以及Jameson等发展的含参数的格式,又可导出不含参数的TVD格式.研究了含参数的混合反扩散格式和不含参数的反扩散格式,并介绍了格式的应用情况.     

水槽涡的变化规律数值模拟

建立了不可压缩Navier-Stokes方程的Crank-Nicolson有限差分方法,数值模拟水槽晃动中流场及其涡流的数值变化规律。将数值解与解析解和前人的数值解进行比较,数值验证了不可压缩Naver-Stokes方程有限差分方法的有效性。通过数值模拟得到水槽在不同程度的倾斜激励晃动下流场及涡流的数值变换规律,当倾斜激励晃动的频率接近或远离共振频率时,水槽涡场的变化逐步由双涡变成单涡,再到不规则的涡场。当倾斜激励晃动的频率靠近共振频率ω_p=0.95ω_1附近时,水槽流场上部形成一个小涡,然后小涡扩大成整个水槽中的大涡,大涡下沉分裂成两个单涡,最后在底部消失;当倾斜激励晃动的频率在ω_p=0.75ω_1附近时,水槽底部形成一个小涡,然后扩大成大的单涡,最后在自由面消失;当倾斜激励晃动的频率在ω_p=0.55ω_1附近时,水槽底部出现小涡,然后扩大成大的单涡,大涡在自由面消失,继而出现不规则的大涡和不规则的小涡。     

轴对称任意梯度圆筒的弹性动力学解

基于轴对称平面应变问题的运动方程及弹性梯度材料的应力和位移关系,通过将圆筒分层使材料性质离散为分段常数函数,同时在时域内应用有限差分格式,求得了材料性质沿径向梯度变化的圆筒弹性动力学解。本文解不仅适合任意梯度的弹性圆筒,而且容易满足多种形式的初始条件和边界条件。通过对材料性质沿径向为连续函数分布和分段函数分布的梯度圆筒数值分析,并与已有文献结果比较,得出本文解与已有文献的解吻合较好,验证了本文解的正确性和有效性。对材料性质为分段函数的三层组合圆筒分析发现,中间功能梯度层的指数分布因子对圆筒的径向位移和应力随时间变化都会产生显著影响。     

ON THE NUMERICAL SOLUTION OF QUASILINEAR WAVE EQUATION WITH STRONG DISSIPATIVE TERM

The numerical solution for a type of quasilinear wave equation is studied. The three-level difference scheme for quasi-linear waver equation with strong dissipative term is constructed and the convergence is proved. The error of the difference solution is estimated. The theoretical results are controlled on a numerical example.