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。     

一维Burgers方程的各种差分格式研究

本文对Burgers方程,一维流体力学动量方程的模型方程,进行了数值实验研究。本文以两类精确解(一类表示定常拟的“激波”解,一类表示非定常的粘性耗散解)为基准。在给定的完全精确的边界条件下,专门探讨各种常用和重要差分格式的优劣。(包括精度、稳定性、计算时间等)。 本文共采用了八种格式(包括Cheng—Allen、修正Cheng格式、MacCormack、分裂格式等)对两类初、边值问题进行了计算和比较。主要的结果是: ①对非定常的粘性耗散问题,采用隐式分裂格式在精度和稳定性方面是各类格式中最好的。 ②对于具有拟“激波”样的定常问题,Cheng的修正格式2具有振幅很小、振动衰减很快的优点,它是各种格式中最佳的。 ③对Mac Cormack格式31,它可以用来算定常和非定常问题,但稳定性很差,要得到好的精度对Re数范围有一定的限制。 ④对于计算含有“激波”的流动,看来差分格式的守恒性是很重要的。 ⑤对像Burgers方程那样的非线性方程,看来Von Neumann的线化稳定性分析仍然是适用的。     

浅水方程组合型超紧致差分格式

提出一族组合型超紧致差分格式(CSCD),对CSCD的数值特性作了分析,并同其他中心型差分格式进行比较。从定性角度,得出同阶中心差分格式中,CSCD格式的截断误差系数最小的结论。从定量角度,利用Fou-rier分析方法分析了CSCD格式的分辨率,并同其他中心型差分格式比较,得出CSCD格式有较高的分辨率的结论。把10阶CSCD格式应用于KdV-Burgers方程和浅水方程的数值模拟,给出两个应用算例。数值实验表明CSCD格式不仅有理论上的高精度,而且有良好的稳定性和收敛性。     

不可压Navier-Stokes方程基于误差估算的网格自适应解法

首先导出了广义Stokes方程Petrov—Galerkin有限元数值解的当地事后误差估算公式;以非连续二阶鼓包（bump）函数空间为速度、压强误差的近似空间,该估算基于求解当地单元上的广义Stokes问题。然后,证明了误差估算值与精确误差之间的等价性。最后,将误差估算方法应用于Navier—Stokes环境,以进行不可压粘流计算中的网格自适应处理。数值实验中成功地捕获了多强度物理现象,验证了本文所发展的方法。     

Navier-Stokes方程的相似解

综述了Navier-Stokes方程的相似解,表明几乎所有已知的非线性相似解都可以通过伸缩变换的方法得到.论述了相似解所需要满足的条件: 定常解下,速度或与坐标成正比或与坐标成反比; 非定常解的存在,还依赖于某些特殊的时间关系.      

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.     

Navier-Stokes方程间断Galerkin有限元方法研究

通过引入全局提升算子和局部提升算子,发展了求解Navier-Stokes方程的间断Galerkin(discontinuousGalerkin,DG)有限元方法的一般框架,并在此框架下给出了几种典型黏性离散格式的具体表达形式.对局部提升算子的求解给出了详细的计算步骤.同时还给出了一种简单有效的计算方法来对物面边界进行高阶近似.为了能够对NS方程进行精度测试,采用对原始系统添加源项的方法构造精确解.二维Euler和NS系统的精度测试表明该方法达到了DG方法的理论精度.二维圆柱无黏绕流的计算结果表明关于物面边界的高阶近似方法能够保持DG方法原有的精度.卡门涡街数值模拟则进一步验证了该方法的正确性并且显示出DG方法较高的计算精度和分辨率.     

不可压缩N-S方程分步算法稳定性与精度的数值研究

众所周知,LBB条件排除了在不可压缩流动N-S方程空间离散中采用速度u和压力p同阶线性插值的简单单元。基于压力泊松(Poisson)方程的分步算法曾被认为可以绕开LBB条件限制,然而近年来研究表明,并非各种类型的分步算法都能有效地避开LBB条件。本文针对不同雷诺数下的平面Poiseuille流动问题模拟,分析对比了当采用不同类型的u-p单元空间插值时增量与非增量迭代分步算法的稳定性与精度,为合理选择分步算法和u-p插值类型提供了依据和参考。     

用于N-S方程数值解的有限差分格式的精确度

本文比较了用于二维粘性流动数值解的各种有限差分算法,比较了最近研究出的中心差分算法与建立得很好的迎风差分算法。为了作出有意义的比较,文中提出了N-S(Navier-Stokes)方程的一些解析解。根据这些解的结果,可以认为所推荐的新的中心差分算法是更为精确的,而且几乎不需要增加计算工作量。存在着一个格子雷诺数的上限,这些新方法在此限度内将是收敛的,但是当流动实际上是湍流时,通常也可能收敛。      

关于Navier-Stokes方程的等价问题

本文讨论了Navier-Stokes 方程的一种等价形式:压力等价形式.首先,我们证明了用关于压力的Poisson 方程来代替连续性方程并附加适当的初始条件和边界条件后所得的新的控制方程与原始的控制方程(N-S 方程)是等价的.然后,我们利用新的控制方程求解了一个具体问题:面对无限平板的二维流动,并将计算结果与精确结果进行了比较. ...     

用有限解析差分格式数值求解化学输运方程

本文用有限解析差分格式研究在多孔介质中化学输运问题的数值模型,系统地计算结果表明:1.有限解析差分格式能够消除数值弥散和伪振荡; 2.随着弥散数(Peclct数)的减小(增加),浓度突破曲线将延迟到达和形状变陡,最终趋近浓度对流曲线;3.当流速数增加后,非稳态吸附对浓度分布的影响趋近稳态吸附的影响。     

关于Navier-Stokes方程的等价问题

本文讨论了Navier-Stokes 方程的一种等价形式:压力等价形式.首先,我们证明了用关于压力的Poisson 方程来代替连续性方程并附加适当的初始条件和边界条件后所得的新的控制方程与原始的控制方程(N-S 方程)是等价的.然后,我们利用新的控制方程求解了一个具体问题:面对无限平板的二维流动,并将计算结果与精确结果进行了比较.     

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。     

动力学平衡方程的Euler中点辛差分求解格式

给出了动力学方程${\pmb M}\ddot {\pmb x} + {\pmb C}\dot {\pmb x} + {\pmb K \pmb x} = {\pmb R}$的二阶Euler中点隐式差分求解格式,分保守系统、无 阻尼受迫振动系统和阻尼系统3种情况, 讨论了算法中Jacobi矩阵${\pmb A}$的性质,譬 如${\pmb A}$是否为辛矩阵以及谱半径等. 对于无阻尼系统,证明了无论是否存在外 载荷,Jacobi 矩阵都是辛矩阵. 证明了辛矩阵的所有本征值的模为1,其谱半径永远 为1, 以及$\delta = 0.5$和$\alpha = 0.25$的Newmark算法就是Euler中点隐式差 分格式,对保守系统它们都是辛算法. 严格证 明了Euler中点辛格式是严格保持系统能量的. 通过算例详细讨论了保辛算法用于求解非保 守系统动态特性的优越性,如广义保结构特性等;分析了保辛算法的相位误差以及由其引起 的系统的附加能量特性;分析了保辛算法和$\delta \ne 0.5$的Newmark算法的精度随着激励频率与系统固有频率比的变化情况等     

不可压缩N-S方程的稳定分步算法及耦合离散

在有限增量微积分(finite increment calculus, FIC)的理论框架下,通过引入一个附加变量,发展了压力稳定型分步算法,有效改善了经典 分步算法的压力稳定性,同时还避免了标准FIC方法中存在的空间高阶导数的计算. 为保证 数值方法同时具有较快的计算速度和较好的健壮性,发展了有限元与无网格的耦合空间离散 方法. 该方案可在网格发生扭曲的区域采用无网格法空间离散以保证求解的精度和稳定性, 而在网格质量较好的区域以及本质边界上保留使用有限元法空间离散以提高计算效率和便于 施加本质边界条件. 方腔流考题的数值模拟结果突出地显示了所发展的压力稳定型分步算 法比经典分步算法具有更好的压力稳定性,能够有效消除速度-压力插值空间违反LBB条件而 导致的压力场的虚假数值振荡. 平面Poisseuille流动和一个典型型腔充填过程的数值模拟 结果, 表明了发展的耦合离散方案相对于单一的有限元法和单一的无网格法在综合考虑计 算效率和算法健壮性方面的突出优点.     

由哈密顿原理导出Navier-Stokes方程

本文用分析力学中的哈密顿原理导出了Nav-ierStokes 方程,并给出了连续介质的拉格朗日方程.     

高阶Schroedinger型方程的两层高精度恒稳差分格式

众所周知，高阶Schroedinger方程在量子力学、非线性光学及流体力学中都有广泛的应用。本文对高阶Schroedinger型方程δu/δt=i(-1)^mδ2m/δx^2m(其中i=√-1，m为正整数)，利用待定系数法，构造出一个两层高精度的隐式差分格式。其截断误差阶为O((△t)^2 (Δx)^6)，比同类格式精度高2～4阶，并用Fourier分析法证明了它是绝对稳定的。最后，数值例子表明本文格式比著名的Crank-Nicolson格式精度高10^-2～10^-7，这说明我们的格式是有效的，理论分析与实际计算相吻合。     

代替Navier-Stokes方程的格子气自动机

本文说明,有一类确定性的格子气(lattice,gas),其元素是离散Boole型的,可以用来仿真Navier-Stokes方程,而且可以用来设计简单的、大规模并行计算的计算机.      

不可压缩二维流动Navier—Stokes方程的有限元解

对不可压缩流体沿二维后台阶流动的Ｎ－Ｓ方程的流函数－涡量式用有限元方法加以求解，固壁上的涡量用时间迭代法加以确定。分别计算Ｒｅ＝２００，４００，８００和１０００时流动区域的流函数和涡量值，并在Ｒｅ＝８００时与有关文献的结果相比较，基本吻合。且在此基础上讨论了出口条件对计算结果的影响。本文的方法对分析流经液压阀口等流动问题具有借鉴意义。     

差分格式收敛性研究的一种新方法

提出了一种对差分格式收敛性进行研究的新方法．应用U变换法和有限差分法，分析了均质简支梁的静力问题，求出了在均布荷载作用下梁的挠度和弯矩的精确解析表达式，并研究其收敛性，得到了收敛率系数的精确值．