数值计算与计算机应用2019年第40卷第3期摘要

<正>张庆海.多相流界面追踪问题的理论框架及高阶数值方法[J].数值计算与计算机应用,2019,40(3):161-187.摘要:界面追踪是多相流最基本最重要的子问题之一.现有方法的思路是把其中的几何和拓扑问题转化为求解数值偏微分方程,从而避免处理这些复杂的几何和拓扑结构.与此形成鲜明对比的是,我们提出的MARS理论和高阶数值方法试图运用几何和拓扑的工具来解决几何     

守恒高阶各向异性交通流模型基于POD方法的降阶外推差分格式

利用Godunov流方法和特征投影分解方法,对守恒高阶各向异性交通流模型建立一种自由度很少、精度足够高的降阶外推差分算法, 并给出这种降阶外推差分算法近似解的误差估计和算法实现.最后,用数值例子说明数值结果与理论结果相吻合,并阐明这种降阶外推差分算法的优越性.     

分数阶扩散方程的一个新的高阶数值格式

在时间和空间上基于有限差分法和利用待定系数法,构造了一维空间分数阶扩散方程的一个新的高阶数值格式.在理论上严格证明了此算法的稳定性和一系列的数值算例验证了理论分析的正确性,表明算法是逼近数值解的一个行之有效的方法.     

地形构造中地震波传播的非对称交错网格模拟

提出了一种新的三维空间对称交错网格差分方法,模拟地形构造中弹性波传播过程．通过具有二阶时间精度和四阶空间精度的不规则网格差分算子用来近似一阶弹性波动方程,引入附加差分公式解决非均匀交错网格的不对称问题．该方法无需在精细网格和粗糙网格间进行插值,所有网格点上的计算在同一次空间迭代中完成．使用精细不规则网格处理海底粗糙界面、 断层和空间界面等复杂几何构造, 理论分析和数值算例表明, 该方法不但节省了大量内存和计算时间, 而且具有令人满意的稳定性和精度．在模拟地形构造中地震波传播时,该方法比常规方法效率更高．     

多介质大变形流动的MOF-MMALE数值模拟研究

多介质大变形流动数值模拟的关键和难点是在精确追踪物质界面的同时又能够处理好流体的大变形运动.将MOF(moment-of-fluid)界面重构算法与多介质任意Lagrange-Euler方法(MMALE)相耦合,形成MOF-MMALE方法,并应用于多介质大变形流动问题的数值模拟研究.MOF-MMALE方法在传统的ALE方法基础上,允许计算网格边界跨过物质界面,允许存在混合网格,即一个网格内可以存在两种或两种以上物质;在混合网格内,利用MOF界面重构算法来确定物质界面的位置和方向.数值算例表明,MOF-MMALE方法是模拟多介质大变形流动的有效手段,并且具有较好的数值精度和界面分辨率.     

带跳随机波动率模型的高阶ADI分裂格式

针对带跳随机波动率模型满足的偏积分微分方程,提出一种新的高阶交替方向隐式（ADI）有限差分格式,该模型是一个具有混合导数和非常数系数的对流扩散型初边值问题.我们将不同的高阶空间离散与时间步ADI分裂格式相结合,得到了一种空间四阶精度、时间二阶精度的有效方法,并采用Fourier方法分析了高阶ADI格式的稳定性.最后,通过对欧式看跌期权定价模型进行数值实验证实了数值方法的高阶收敛性.     

分数阶微分方程的理论和数值方法研究

分数阶偏微分方程的研究有很长的历史,并在最近十多年得到快速发展.相比极为有限的理论成果,数值方法的研究成果已经相当丰富,几个国际研究团队对此作出了贡献.本文旨在对分数阶微分方程的理论与数值方法研究成果做个简要的评价,聚焦总结评述与高阶方法发展密切相关的研究.主要内容为讨论最基本的三类方程:时间分数阶扩散方程、空间分数阶扩散方程、以及时空分数阶扩散方程的理论进展和数值方法研究在最近十年取得的结果.我们还有针对性地选择一些算例,用以说明几个重要方法的精度和有效性.     

求解时间分布阶扩散方程的两个高阶有限差分格式

基于复化Simpson公式和复化两点Gauss-Legendre公式，构造了两个求解时间分布阶扩散方程的高阶有限差分格式.不同于以往文献中提出的时间一阶或二阶格式，这两种格式在时间方向都具有三阶精度，而在分布阶和空间方向可达到四阶精度.数值结果表明，两种算法都是稳定且收敛的，从而是有效的.两种格式的收敛速率也通过数值实验进行了验证，并且通过和文献中的算法对比可以得出其更为高效,     

分数阶Cahn-Hilliard方程的高效数值算法

给出了时空分数阶Cahn-Hilliard方程的一个高效数值算法.首先,利用Laplace变换将时空分数阶Cahn-Hilliard方程转化为空间分数阶Cahn-Hilliard方程;然后,结合Fourier谱方法和有限差分法得到一个时间二阶、空间谱精度的高效数值格式;最后,通过数值实验验证本文数值算法的有效性,并验证其满足能量耗散性质和质量守恒定律.     

非定常Burgers方程基于POD方法的全二阶差分格式降阶外推算法

利用特征投影分解方法和奇值分解技术对非定常Burgers 方程的经典全二阶有限差分格式做降阶处理, 给出一种时间和空间变量都是二阶精度的降阶差分格式, 并给出这种降阶全二阶精度差分解的误差估计和外推算法的实现, 最后用数值例子说明数值结果与理论结果是相吻合的.     

非线性对流扩散问题的差分-流线扩散法

1．引言流线扩散法（简称SD方法）是由Huzhes和Brooks在1980年前后提出的一种数值求解对流占优扩散问题的新型有限元算法．随后，Johnson和N8vert将SD方法推广到发展型对流扩散问题（［1］，［2］，［3］）．熟知，对于对流扩散问题，标准有限元法虽具有高阶精度，但常产生数值振荡；古典人工粘性Galerkin法更具有较好的稳定性，但仅具有一阶精度．而（SD方法兼具良好的数值稳定性和高阶精度，因此得到了越来越多的重视，对于发展型对流扩散问题，传统的SD方法均采用时空有限元．这样做，虽然可使时间和空间方向上的精度很好的协调起…     

应用广义Laguerre函数的Navier-Stokes方程外部问题混合谱方法

研究应用广义Laguerre函数的四阶非线性偏微分方程外部问题混合谱方法.构造了圆外Navier-Stokes方程流函数形式的混合谱方法,数值结果显示了该方法在空间方向的谱精度.     

非光滑时间分数阶齐次扩散方程的修正

当初值不光滑时,时间分数阶齐次扩散方程数值方法的精度会下降.为了得到高阶时间收敛格式,提出加权移位的Grünwald-Letnikov的修正格式,运用Lubich的修正方法,得到非光滑时间分数阶齐次扩散方程的收敛阶仍为O(k²).最后,通过数值算例验证了数值计算结果与理论计算结果一致.     

基于FETI的非协调等几何分析

基于非均匀有理B样条的等几何分析方法是一种无需网格划分的新的计算方法,旨在实现直接利用CAD模型进行分析,有望取代目前传统有限元技术．等几何分析已被成功应用在固体力学,流固耦合及拓扑优化等诸多领域．等几何分析方法要求CAD曲面或者实体高阶连续,而绝大多数CAD模型内多个曲面不但无法保持高阶连续,而且在公共界面处是几何非协调的．这一缺陷严重制约了等几何分析技术的进一步发展和应用．另外,由于采用高阶单元,等几何分析计算量较等自由度传统有限元要耗时．为解决这些难题,笔者在先前工作基础之上,提出了基于FETI方法的非协调等几何分析．新方法较以往的零空间解法更加快捷,适用于大规模数据的并行计算．数值算例表明本方法无需修改CAD模型,实施简单,精度满足要求,可处理复杂CAD模型．     

无限域拉普拉斯方程问题的高阶边界条件及其应用

对无限域Laplace方程问题,推导出了高阶边界条件.在采用数值方法的有限域的外边界上应用高阶边界条件,可以在保证计算精度的前提下缩小数值求解域,从而减小计算工作量和少占用计算机内存.数值算例表明,一阶边界条件近似于精确边界条件,它明显地优于经典边界条件和二阶边界条件.     

带漂移的单侧正规化回火分数阶扩散方程的Crank-Nicolson拟紧格式

基于已有的针对单侧正规化回火分数阶扩散方程的三阶拟紧算法,将该算法的思想应用于带漂移的单侧正规化回火分数阶扩散方程的数值模拟,并结合Crank-Nicolson方法导出数值格式.证明了数值格式的稳定性与收敛性,且数值格式的时间收敛阶和空间收敛阶分别是二阶和三阶.通过数值试验验证了数值格式的有效性和理论结果.     

具有五阶精度的TVD数值格式

提出了一种具有五阶空间精度的数值求解物质输送方程平流项的方法.此方法具有如下主要特点:1) 利用四次函数刻画特定物质在空间上的分布;2)在中间时刻层上确定网格界面上的值;3)利用TVD算子限制确定的界面值,以保证数值格式无频散.     

扩散系数为矩阵形式的两相混溶驱动问题的修正迎风差分格式

1　引　　言油藏数值模拟对油田开发意义重大 .两相不可压缩混溶驱动问题 ,其数学模型是一组非线性偏微分方程 ,其中的压力方程是一椭圆型方程 ,饱和度方程是一对流扩散方程 .由于对流为主的扩散方程具有双曲特性 ,中心差分格式虽关于空间步长具有二阶精度 ,但会产生数值弥散和非物理力学特性的数值振荡 ,使数值模拟失真 .特征方法与标准的有限差分方法结合起来可以较好地反映出对流扩散方程的一阶双曲特性 ,从而减少误差 ,提高计算精度[1 ] .在周期性假定下 ,美国数学家 Jim Douglas,Jr教授分别对压力方程采用混合元格式[2 ] 和五点差分…     

应用第二类Chebyshev小波求解高阶多点边值问题的数值解（英文）

本文研究了一类高阶多点边值问题的数值解法问题.利用第二类Chebyhsev小波及其积分算子矩阵,将线性与非线性高阶常微分方程多点边值问题转化为代数方程组进行求解.通过与现有文献算法结果的比较,说明了该算法求解高阶多点边值问题的准确性与有效性.扩展了高阶多点边值问题的数值求解方法.     

一类二维抛物方程反问题的CCD-ADI方法

许多工程问题可通过带有未知参数的抛物方程求解.因此,发展高精度数值方法求解这类反问题非常重要.本文提出一种交替方向隐格式(ADI)的三层线性化组合紧致差分(CCD)格式求解带控制参数的二维非定常反应扩散方程.该方法在时间上达到二阶精度,空间上达到六阶精度.在每个ADI迭代步,只需求解一个块三对角系统,可通过块Thomas算法快速求解.此外,我们严格证明在周期性边界条件下,CCD-ADI方法解的存在性和唯一性.最后,通过与已有空间四阶方法对比,用数值算例验证新方法的无条件稳定性、精度与效率.