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。     

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。     

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。     

一类三维时空二阶精度高分辨率MmB差分格式

直接把Nessyahu和Tadmor^[1,2]的思想推广到三维非线性双曲型守恒律情形，以交错形式Lax—Friedrichs格式为基本模块，使用二阶分片线性逼近代替一阶分片常数逼近，减少了Lax—Friedrichs格式的过多数值粘性，通过对混合导数离散形式的适当处理，构造了一类不须解Riemann问题、具有时空二阶精度高分辨率的MmB差分格式。这些差分格式很容易推广到向量系统中去。最后，一些数值模拟计算结果也证明了这些差分格式的有效性。     

一类具有自适应性质的组合TVD格式的构造

本文分析比较了些典型的ＴＶＤ格式，发现各种ＴＶＤ格式对解的分辨能力有差别，格式中存在耗散性和压缩性的矛盾。在分析了格式的构造以及产生耗散、压缩作用的原因后，本文提出了一种具有自适应能力的ＴＶＤ格式的组合形式，该格式在解的剧烈变化区域，有较高的分辨能力；在解的光滑区域避免了由于压缩性过强造成的失真，数值试验表明该格式具有良好的性质．     

关于对流差分格式有界性与CBC准则的讨论

通常认为CBC准则是差分格式有界性的充分条件。本文采用满足与不满足CBC准则的两种高阶差分格式对非线性问题进行了求解,重新讨论了格式有界性与CBC准则的关系,得出结论如下：在数值方法稳定的前提下,CBC准则下的有界模式是求解有界的充分条件,而非必要条件;此外,文章还分析了张涵信三阶精度格式的特点。     

高阶Schr(o)dinger型方程的两层高精度恒稳差分格式

众所周知, 高阶Schrodinger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Schrodinger型方程(eu/et)＝I(-1)m(e2mu)/(ex2m)(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((Δt)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.     

一类高效率高分辨率加映射的WENO格式及其在复杂流动问题数值模拟中的应用

由于映射操作会带来额外的计算时间消耗,传统加映射的WENO格式存在计算效率低的缺陷.为了提高传统加映射WENO格式的计算效率,通过利用标准符号函数的一种近似逼近函数构造出一族近似常值映射函数,本文提出了一种新的加映射WENO格式,称为WENO-ACM.新映射函数满足文献中已有WENOPM6格式映射函数的全部设计要求,其中WENO-PM6是一种为了克服经典WENO-M格式潜在的精度丢失缺陷而提出的格式.新格式保留了WENO-PM6在低耗散和高分辨率方面的优势,同时,显著的减少了每个时间步映射过程中的数学运算操作数,进而在计算效率方面获得了明显的提升.理论分析表明,新格式在即使包含临界点的光滑区域也能够获得最佳收敛精度.对近似色散关系的研究表明,新格式的频谱特性也得到了显著的提升.对大量标准测试算例进行了模拟计算,包括精度测试、激波管问题、激波-熵波相互作用、爆炸波相互碰撞、二维黎曼问题、双马赫反射、前台阶流动、瑞利-泰勒不稳定性和开尔文-亥姆霍兹不稳定性问题等.与广泛认可的WENO-JS, WENO-M, WENO-PM6格式综合比较发现,新提出的WENO-ACM格式在高效率、低数值耗散...     

求解双曲型守恒律的半离散三阶中心迎风格式

给出了求解一维双曲型守恒律的一种半离散三阶中心迎风格式,并利用逐维进行计算的方法将格式推广到二维守恒律。构造格式时利用了波传播的单侧局部速度,三阶重构方法的引入保证了格式的精度。时间方向的离散采用三阶TVD Runge—Kutta方法。本文格式保持了中心差分格式简单的优点,即不需用Riemann解算器,避免了进行特征分解过程。用该格式对一维和二维守恒律进行了大量的数值试验,结果表明本文格式是高精度、高分辨率的。     

高阶Schrdinger型方程的两层高精度恒稳差分格式

众所周知,高阶Schro¨dinger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Schro¨dinger型方程 u t=i(-1)m 2mu x2m(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((Δt)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。     

Simulation of transients in natural gas pipelines using hybrid TVD schemes

The mathematical model describing transients in natural gas pipelines constitutes a non‐homogeneous system of non‐linear hyperbolic conservation laws. The time splitting approach is adopted to solve this non‐homogeneous hyperbolic model. At each time step, the non‐homogeneous hyperbolic model is split into a homogeneous hyperbolic model and an ODE operator. An explicit 5‐point, second‐order‐accurate total variation diminishing (TVD) scheme is formulated to solve the homogeneous system of non‐linear hyperbolic conservation laws. Special attention is given to the treatment of boundary conditions at the inlet and the outlet of the pipeline. Hybrid methods involving the Godunov scheme (TVD/Godunov scheme) or the Roe scheme (TVD/Roe scheme) or the Lax–Wendroff scheme (TVD/LW scheme) are used to achieve appropriate boundary handling strategy. A severe condition involving instantaneous closure of a downstream valve is used to test the efficacy of the new schemes. The results produced by the TVD/Roe and TVD/Godunov schemes are excellent and comparable with each other, while the TVD/LW scheme performs reasonably well. The TVD/Roe scheme is applied to simulate the transport of a fast transient in a short pipe and the propagation of a slow transient in a long transmission pipeline. For the first example, the scheme produces excellent results, which capture and maintain the integrity of the wave fronts even after a long time. For the second example, comparisons of computational results are made using different discretizing parameters. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

高阶多维半离散中心迎风格式及其应用

提出了求解多维对流-扩散方程的四阶半离散中心迎风格式。该格式以中心加权基本无振荡(CWENO)重构为基础,同时考虑到在Riemann扇内波传播的局部速度,从而更加准确地估计出了局部Riemann扇的宽度,最终既回避了网格的交错,又降低了格式的数值粘性,建立了介于迎风格式和中心格式之间的半离散中心迎风格式。本文还将该四阶半离散中心迎风格式与涡度-流函数方法相结合,有效地求解了二维不可压Euler方程组和Navier-Stokes方程组。     

An Accurate Finite Difference Scheme for Boussinesq Equations

In this paper, a stable and accurate finite difference scheme using a space-staggered grid is proposed for solving the extended Boussinesq-type equations as derived by Nwogu [Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 119, (1993) 618–638]. The alternate direction iterative method combined with an efficient predictor–corrector scheme is adopted for the numerical solution of the governing differential equations. The proposed method is verified by two test cases where experimental data are available for comparison. The first case is wave focusing by bottom topography as studied by Whalin [The limit of applicability of linear wave refraction theory in a convergence zone. Res. Rep. H-71-3, U.S.Army Corps of Engrs. Waterways Expt. Station, Vicksburg (1971)]. The second case is wave runup around a circular cylinder as investigated experimentally by Isaacson (Journal of the Waterway, Port, Coastal and Ocean Division, ASCE, 104, (1978), 69–79). Numerical results agree very well with the corresponding experimental data in both cases.     

RCM‐TVD hybrid scheme for hyperbolic conservation laws

We describe a hybrid method for the solution of hyperbolic conservation laws. A third‐order total variation diminishing (TVD) finite difference scheme is conjugated with a random choice method (RCM) in a grid‐based adaptive way. An efficient multi‐resolution technique is used to detect the high gradient regions of the numerical solution in order to capture the shock with RCM while the smooth regions are computed with the more efficient TVD scheme. The hybrid scheme captures correctly the discontinuities of the solution and saves CPU time. Numerical experiments with one‐ and two‐dimensional problems are presented. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

求解多维双曲守恒律方程组的四阶半离散格式

提出了求解多维双曲守恒律方程组的四阶半离散格式。该方法以中心加权基本无振荡(CWENO)重构为基础,同时考虑到在R iemann扇内波传播的局部速度,从而回避了计算过程中的网格交错,建立了数值耗散较小的介于迎风格式和中心格式之间的半离散格式。本文的四阶半离散格式是Kurganov等人的三阶半离散格式的高阶推广。大量的数值算例充分说明了本文方法的高分辨率和稳定性。     

求解浅水波方程的半离散中心迎风方法

将Jin's的界面方法应用到求解双曲守恒型方程的半离散中心迎风方法中,给出了一种新的求解浅水波方程的半离散中心迎风差分方法。对于源项,不是采用传统的单元均值而是采用单元界面处的值来近似,使所得格式对稳定态的求解是均衡的。且已证明所给的二阶精度的求解格式保持水深的非负性,这一特性使其能够较好的处理干河床问题。使用该方法产生的数值粘性(与O(Δ2r-1)同阶)要比交错的中心格式小(与O(Δx2r/Δt)同阶),而且由于数值粘性与时间步长无关,从而时间步长可根据稳定性需要尽可能的小,因此适用于稳定态的求解。