一个基于非均匀网格上的二阶基本振荡差分格式

在基本无振荡格式的构造中，将通常的对流通量f的逼近方式推广到对通量导数的逼近，这一构造方法可以有效地应用到非均匀或非结构网格。直接基于非均匀网格上，构造了一个二阶的基本无振荡（ENO）差分格式，该格式具有形式简单，对网格的划分灵活，对传统格式相比不增加计算量等优点，几个数值算例证明了格式的有效性。     

一个基于非均匀网格上的二阶基本无振荡差分格式

在基本无振荡格式的构造中，将通常的对流通量$f$的逼近方式推广到对通量导数的逼近，这一构造方法可以有效地应用到非均匀或非结构网格. 直接基于非均匀网格上，构造了一个二阶的基本无振荡(ENO)差分格式. 该格式具有形式简单，对网格的划分灵活，与传统格式相比不增加计算量等优点. 几个数值算例证明了格式的有效性.     

数值求解Navier—Stokes方程的迎风紧致差分格式

从迎风紧致逼近^[1]出发,提出数值求解可压Navier-Stokes方程的一种高精度的数值方法。利用Steger-Warming的通量分裂技术^[2]将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,在此基础上据风向构造逼近于无粘项的三阶迎风紧致有限差分格式。对方程中的粘性部分采用通常的二阶差分逼近。所建立的差分格式被用来数值求解了三维粘性绕流问题。     

非线性双曲型守恒律的两步二阶TVD差分格式

通过Mac Cormack格式和Warming-Beam的结合,构造了一种非常简单的两步二阶TVD差分格式,该差分格式更适合于使用分量形式差分计算而无须对欧拉方程组进行特征解耦。通过对流体力学方程组的大量数值试验,并与二阶ENO格式进行了比较,充分显示了该格式高精度、高分辨并且极其简单的优良特性。     

基于新型解耦算法的激波诱导燃烧过程数值模拟

对一种模拟化学非平衡流动的时间和空间二阶精度新型解耦算法进行两方面改进,流动算子采用基于Runge-Kutta方法的时间格式以后, 可以推广到更多的空间差分格式,化学反应源项求解算子可以采用梯形公式、拟稳态逼近法和变系数常微分方程求解器. 对H化学非平衡流动; 解耦算法; 计算方法对一种模拟化学非平衡流动的时间和空间二阶精度新型解耦算法进行两方面改进,流动算子采用基于Runge-Kutta方法的时间格式以后,可以推广到更多的空间差分格式,化学反应源项求解算子可以采用梯形公式、拟稳态逼近法和变系数常微分方程求解器.对H_2/Air预混气体中激波诱导振荡燃烧的Lehr试验进行模拟,考察了化学动力学模型、网格尺寸和差分格式耗散大小对计算结果的影响,同时对不同的化学反应源项算子求解算法的计算效率进行了比较.     

对流扩散方程的迎风变换及相应有限差分方法

本文提出所谓迎风变换,将对流扩散方程分解为对流迎风函数和扩散方程,并构造相应的有限差分格式。对流迎风函数以简明的指数解析形式反映对流扩散现象的迎风效应,原则上消除了源于不对称对流算子的困难,能够便利对流扩散方程的数值求解。有限差分格式具有二阶精度和无条件稳定性,算例表明其准确性、收敛速度及对边界层效应的适应能力均明显优于中心差分格式和迎风差分格式。     

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.     

求解双曲型守恒律的半离散中心差分格式

给出了一种求解双曲型守恒律的三阶半离散中心差分格式。该格式以一种推广的三阶重构为基础,同时考虑了波传播的局部速度。格式的构造方法是利用重构,先计算非一致交错网格上的均值,再将该网格均值投影回原来的非交错网格,得到新的全离散中心差分格式,该格式有半离散形式。本文半离散格式保持了中心差分格式简单的优点,即不需用R iemann解算器,避免了进行特征解耦。它具有守恒形式,数值通量满足相容性条件。数值试验结果表明该格式是高精度、高分辨率的。     

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为避免用四阶紧致格式求解泊松方程所具有编程复杂和难以实现的困难,对 传统的五点二阶中心差分格式进行改进;通过增加对残差的校正计算,提出了一种新型具有 四阶精度的两步预估校正格式. 新格式虽需要增加一定的计算量,但它的格式精度高,边界 条件处理极简单,易于编程实现. 通过数值实验,结果证明上述格式的确具有易于编程和计 算精度高的优点. 预估校正格式很容易推广到其他复杂情形.     

二维泊松方程的两步预估校正格式

为避免用四阶紧致格式求解泊松方程所具有编程复杂和难以实现的困难,对传统的五点二阶中心差分格式进行改进;通过增加对残差的校正计算,提出了一种新型具有四阶精度的两步预估校正格式.新格式虽需要增加一定的计算量,但它的格式精度高,边界条件处理极简单,易于编程实现.通过数值实验,结果证明上述格式的确具有易于编程和计算精度高的优点.预估校正格式很容易推广到其他复杂情形.     

非稳态Hamilton-Jacobi方程的7阶加权紧致非线性格式

Hamilton-Jacobi (HJ) 方程是一类重要的非线性偏微分方程, 在物理学、流体力学、图像处理、微分几何、金融数学、最优化控制理论等方面有着广泛的应用. 由于HJ方程的弱解存在但不唯一, 且解的导数可能出现间断, 导致其数值求解具有一定的难度. 本文提出了非稳态HJ方程的7阶精度加权紧致非线性格式 (WCNS). 该格式结合了Hamilton函数的Lax-Friedrichs型通量分裂方法和一阶空间导数左、右极限值的高阶精度混合节点和半节点型中心差分格式. 基于7点全局模板和4个4点子模板推导了半节点函数值的高阶线性逼近和4个低阶线性逼近, 以及全局模板和子模板的光滑度量指标. 为避免间断附近数值解产生非物理振荡以及提高格式稳定性, 采用WENO型非线性插值方法计算半节点函数值. 时间离散采用3阶TVD型Runge-Kutta方法. 通过理论分析验证了WCNS格式对于光滑解具有最佳的7阶精度. 为方便比较, 经典的7阶WENO格式也被推广用于求解HJ方程. 数值结果表明, 本文提出的WCNS格式能够很好地模拟HJ方程的精确解, 且在光滑区域能够达到7阶精度; 与经典的同阶WENO格式相比, WCNS格式在精度、收敛性和分辨率方面更优, 计算效率略高.      

Nonlinear stability of discrete shocks for systems of conservation laws

In this paper we study the asymptotic nonlinear stability of discrete shocks for the Lax-Friedrichs scheme for approximating general m×m systems of nonlinear hyperbolic conservation laws. It is shown that weak single discrete shocks for such a scheme are nonlinearly stable in the L ^p-norm for all p 1, provided that the sums of the initial perturbations equal zero. These results should shed light on the convergence of the numerical solution constructed by the Lax-Friedrichs scheme for the single-shock solution of system of hyperbolic conservation laws. If the Riemann solution corresponding to the given far-field states is a superposition of m single shocks from each characteristic family, we show that the corresponding multiple discrete shocks are nonlinearly stable in L ^p (P 2). These results are proved by using both a weighted estimate and a characteristic energy method based on the internal structures of the discrete shocks and the essential monotonicity of the Lax-Friedrichs scheme.     

非线性双曲型守恒律的高精度MmB差分格式

构造了一维非线性双曲型守恒律方程的一个高精度、高分辨率的广义G odunov型差分格式。其构造思想是:首先将计算区间划分为若干个互不相交的小区间,再根据精度要求等分小区间,通过各细小区间上的单元平均状态变量,重构各等分小区间交界面上的状态变量,并加以校正;其次,利用近似R iem ann解算子求解细小区间交界面上的数值通量,并结合高阶R unge-K u tta TVD方法进行时间离散,得到了高精度的全离散方法。证明了该格式的Mm B特性。然后,将格式推广到一、二维双曲型守恒方程组情形。最后给出了一、二维Eu ler方程组的几个典型的数值算例,验证了格式的高效性。     

Solitary wave solution to Aw-Rascle viscous model of traffic flow

A traveling wave solution to the Aw-Rascle traffic flow model that includes the relaxation and diffusion terms is investigated. The model can be approximated by the well-known Kortweg-de Vries (KdV) equation. A numerical simulation is conducted by the first-order accurate Lax-Friedrichs scheme, which is known for its ability to capture the entropy solution to hyperbolic conservation laws. Periodic boundary conditions are applied to simulate a lengthy propagation, where the profile of the derived KdV solution is taken as the initial condition to observe the change of the profile. The simulation shows good agreement between the approximated KdV solution and the numerical solution.     

一类高精度TVD差分格式及其应用

构造了一维非线性双曲型守恒律的一个新的高精度、高分辨率的守恒型TvD差分格式。其构造思想是：首先，将计算区间划分为若干个互不相交的小区间，再根据精度要求等分小区间，通过各细小区间上的单元平均状态变量，重构各细小区间交界面上的状态变量，并加以校正；其次，利用近似Riemann解计算细小区间交界面上的数值通量，并结合高阶Runge—Kutta TVD方法进行时间离散，得到了高精度的全离散方法。证明了该格式的TVD特性。该格式适合于使用分量形式计算而无须进行局部特征分解。通过计算几个典型的问题，验证了格式具有高精度、高分辨率且计算简单的优点。     

A C2‐continuous high‐resolution upwind convection scheme

A bounded upwinding scheme for numerical solution of hyperbolic conservation laws and Navier–Stokes equations is presented. The scheme is based on convection boundedness criterion and total variation diminishing stability criteria and developed by employing continuously differentiable functions. The accuracy of the scheme is verified by assessing the error and observed convergence rate on 1‐D benchmark test cases. A comparative study between the new scheme and conventional total variation diminishing/convection boundedness criterion‐based upwind schemes to solve standard nonlinear hyperbolic conservation laws is also accomplished. The scheme is then examined in the simulation of Newtonian and non‐Newtonian fluid flows of increasing complexity; a satisfactory agreement has been observed in terms of the overall behavior. Finally, the scheme is used to study the hydrodynamics of a gas‐solid flow in a bubbling fluidized bed. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

A variable relaxation scheme for multiphase,multicomponent flow

We propose a variable relaxation scheme for the simulation of 1D, two-phase, multicomponent flow in porous media. For these strongly nonlinear systems, traditional high order upwind schemes are impractical: Riemann solutions are not directly available when the phase behavior is complex, and the systems are weakly hyperbolic at isolated points. Relaxation schemes avoid the dependency on the eigenstructure and nonlinear Riemann solvers by approximating the original system with a strongly hyperbolic linear system. We exploit the known information about the eigenvalues to construct first order and second order variable relaxation schemes with much reduced numerical diffusion as compared to the standard relaxation formulations. The proposed second order variable relaxation scheme is competitive in accuracy and efficiency with a third order component-wise ENO reconstruction, and performs at least as well as second order component-wise TVD schemes.     

Hyperbolic Conservation Laws¶with Umbilic Degeneracy

We continue to study hyperbolic systems of conservation laws with umbilic degeneracy. We further extend our compactness framework established earlier to other canonical classes of quadratic flux systems with an isolated umbilic point. With the aid of this compactness framework, we establish the compactness of solution operators and the long-time behavior of entropy solutions in L ^∞ with large initial data, and we prove the convergence of the viscosity method, as well as the Lax-Friedrichs scheme and the Godunov scheme, for a canonical class of nonlinear hyperbolic systems with umbilic degeneracy.     

关于无振荡、无自由参数有限元格式的研究

利用双曲守恒律方程的Ｔａｙｌｏｒ弱解表达式，建立了有限元法修正方程，选择合适的展开式系数能得到一系列数值格式．通过稳定性分析研究了格式的稳定性、色散误差与有限元修正方程导数项系数之间的关系，该关系与差分法的ＮＮＤ格式一致．在选定格式下，通过ＣＦＬ数可控制有限元离散解的振荡而使格式不含自由参数．最后，用数值算例验证了这一关系，并在二、三维欧拉方程作了推广应用．