极坐标系下Fourier-Legendre谱元方法与有限差分法数值扩散的比较

提出一种Fourier-Legendre谱元方法用于求解极坐标系下的Navier-Stokes方程,其中极点所在单元的径向采用Gauss-Radau积分点,避免了r=0处的1/r坐标奇异性。时间离散采用时间分裂法,引入数值同位素模型跟踪同位素的输运过程验证数值模拟的精度,分别利用谱元法和有限差分法的迎风差分格式求解匀速和加速坩埚旋转流动中的同位素方程。计算结果表明,有限差分法中的一阶迎风差分格式存在严重的数值假扩散,二阶迎风差分格式的数值结果较精确,增加节点可以有效地缓解数值扩散。然而,谱元法具有以较少节点得到高精度解的优势。     

谱元方法求解二维不可压缩Navier-Stokes方程

利用有限元的思想并结合谱方法的精度提出求解偏微分方程的谱元方法,在元素内插值函数使用伪谱Chebyshev逼近,并将此方法应用于求解不可压Navier-Stokes方程,具体求解了二维方腔顶盖驱动流,与公认基准解对比获得了较好的结果。     

Chebyshev谱元方法结合并行算法求解三维区域的Helmholtz方程

本文探讨了采用Chebyshev谱元方法结合并行计算求解三维区域的Helmholtz方程问题。首先应用变分方法,得到了带有第一类边界条件的三维区域Helmholtz方程的弱形式。然后在三维的标准单元内,采用Chebyshev正交多项式展开函数u和试函数v,并且将其带入弱形式方程,通过积分,得到单元刚度矩阵;通过合成单元刚度矩阵,得到总体矩阵。最后通过基于MPI的并行计算,求解了以总体矩阵为系数的方程组,得到了Helmholtz方程的数值解,和解析解对比表明了数值解的正确性,并且数值解具有8阶精度。在并行求解方程组过程中,充分利用矩阵的对称性和矢量存储来获取上三角元素,这大幅的节约了存储量和计算进程间的通讯量,获得的并行效率可达76.6%。     

谱元方法求解环形空间内自然对流换热

提出了将谱元方法应用到极坐标系下，利用极坐标系下的谱元方法求解环形空间内自然对流问题。具体求解了原始变量速度和压力的不可压缩Navier-Stokes方程和能量方程，通过在时间方向采用时间分裂方法和空间采用谱元方法对方程进行离散求解，取得了与基准解较一致的计算结果。     

谱元法和高阶时间分裂法求解方腔顶盖驱动流

详细推导了谱元方法的具体计算公式和时间分裂法的具体计算过程 ;对一般的时间分裂法进行了改进 ,即对非线性步分别用 3阶 Adams-Bashforth方法和 4阶显式 Runge-Kutta法 ,粘性步采用 3阶隐式 Adams-Moulton形式 ,提高了时间方向的离散精度 ,同时还改进了压力边界条件 ,采用 3阶的压力边界条件 ;利用改进的时间分裂方法分解不可压缩 Navier-Stokes方程 ,并结合谱元法计算了移动顶盖方腔驱动流 ,提高了方法可以计算的 Re数 ,缩短了达到收敛的时间 ,并将结果与基准解进行比较 ;分析了移动顶盖方腔驱动流中 Re数对流场分布的影响。     

基于位移型控制方程的圆板热后屈曲分析

本文推导了圆板位移型热后屈曲方程，在设定挠度试函数后，由微分方程精确求出径向位移，然后用Galerkin法消去另一方程的残差，试函数由Legendre多项式构成，结果表明：本文方法是有效的，有关结果可供设计圆板时参考。     

拟谱-微分求积混合方法求解一类双曲电报方程

拟谱方法和微分求积法是两类重要的无网格法,二者都已在科学和工程计算中获得了广泛应用。采用拉格朗日插值多项式作为二者的试函数,且采用同一种网格点分布,指出了在空间域上,微分求积法是拟谱方法的一种特殊形式。在此基础上,结合二者各自的特点,提出了拟谱-微分求积混合方法用于求解一类双曲电报方程。理论分析和数值测试表明,新方法在空间域上具有谱精度收敛性,在时间域上是A-稳定的,比较适合于求解多维电报方程。     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

高阶谱元区域分解算法求解定常方腔驱动流

主要利用Jacobian-free的Newton-Krylov方法求解定常不可压缩Navier-Stokes方程,将基于高阶谱元法的区域分解Stokes算法的非定常时间推进步作为Newton迭代的预处理,回避了传统Newton方法Jacobian矩阵的显式装配,节省了程序内存,同时降低了Newton迭代线性系统的条件数,且没有非线性对流项的隐式求解,大大加快了收敛速度。对有分析解的Kovasznay流动的计算结果表明,本高阶谱元法在空间上有指数收敛的谱精度,且对定常解的Newton迭代是二次收敛的。本文模拟了二维方腔顶盖一致速度驱动流,同基准解符合得很好,表明本文方法是准确可靠的。本文还考虑了Re=800时方腔顶盖正弦速度驱动流,除得到已知的一个稳定对称解和一对稳定非对称解外,还获得了一对新的不稳定的非对称解。     

比例边界坐标插值方法在谱元法中的应用——无穷域Euler方程的数值模拟

将比例边界坐标插值方法引入谱元法, 构成比例边界谱单元, 对无穷域Euler方程进行数值模拟.阐述了比例边界谱单元的基本使用方法以及基于比例边界谱元的Runge-Kutta间断Galerkin方法求解Euler方程的过程;计算了无穷域圆柱和NACA0012翼型绕流问题, 并与已有结果进行了比较, 显示了计算结果的正确性.用基于比例边界谱元的间断Galerkin方法求解无穷域Euler方程时, 最多只需将求解域划分为2个子域, 避免了一般谱方法将求解域划分为9个或者27个子域的麻烦. 比例边界谱单元为无穷域Euler方程的直接求解提供了一个可供参考的方法.     

A Legendre‐spectral element method for flow and heat transfer about an accelerating droplet

The problem of flow and heat transfer associated with a spherical droplet accelerated from rest under gravitational force is studied using a Legendre‐spectral element method in conjunction with a mixed time integration procedure to advance the solution in time. An influence matrix technique that exploits the superposition principle is adapted to resolve the lack of vorticity boundary conditions and to decouple the equations from the interfacial couplings. The computed flow and temperature fields, the drag coefficient, the Nusselt number, and the interfacial velocity and vorticity are presented for a drop moving vertically in a quiescent gas of infinite extent to illustrate the evolution of the flow and temperature fields. Comparison of the predicted drag coefficient and the Nusselt number against previous numerical and experimental results indicate good agreement. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

Dynamical equations for polar continua in orthogonal curvilinear coordinates

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＮｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅＲｅｃｅｎｔｌｙｗｅ［１］ｈａｖｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｏｍｅａｄｉｔｉｏｎａｌｎｅｗｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｙｄｅｒ...     

Discontinuous Galerkin spectral element lattice Boltzmann method on triangular element

Discontinuous Galerkin spectral element method is used to solve the lattice Boltzmann equation (LBE) in the discrete velocity space. The triangular elements are adopted because of their flexibility to deal with complex geometries. The flow past a circular cylinder is simulated by the proposed scheme. The results are consistent with those obtained from the previous numerical methods and experiments. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

平面问题极坐标下几何方程的一种解析法

经典弹性力学教材中都是通过单元的几何变形来推导平面问题极坐标下的几何方程. 这里, 用解析法从直角坐标系下的几何方程推出极坐标下的几何方程.     

随机结构有限元分析的递推求解方法

提出了一种新的谱随机有限元分析方法——递推求解方法。该方法将随机结构的随机响应表示成非正交多项式展式,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并通过确定性有限元方法对这些递推方程进行静力问题求解。算例表明,当随机量出现较大涨落时,计算结果相对于传统摄动法有不小的改进。     

线性区间有限元静力控制方程的组合解法

区间有限元的静力控制方程常被归结为区间方程组来求解。但实际上两者并不等价。本文根据不确定结构有限元分析的力学背景，直接从问题的基本参量的不确定性出发，将基本区间参量的边界组合与求解区间方程组的有关解法相结合，提出了线性区间有限元静力控制方程的两种组合解法－参量边界全组合法和组合迭代法。可以以较小的计算量获得或逼近位移和应力区间的准确界限。且不受基本参量变化范围的限制。算例分析表明文中方法是实用和可行的。     

A total linearization method for solving viscous free boundary flow problems by the finite element method

In this paper a total linearization method is derived for solving steady viscous free boundary flow problems (including capillary effects) by the finite element method. It is shown that the influence of the geometrical unknown in the totally linearized weak formulation can be expressed in terms of boundary integrals. This means that the implementation of the method is simple. Numerical experiments show that the iterative method gives accurate results and converges very fast.