正则化δ函数对浸入边界法精度的影响

浸入边界法是对流固耦合系统进行数学建模和数值模拟的有效工具,在生物力学领域的应用尤为广泛．正则化δ函数对精度的影响是研究浸入边界法本身性质的一个重要课题．采用虚拟解法对此展开分析．首先使用光滑虚拟解证明程序的正确性,然后使用压力存在跳跃的虚拟解研究浸入边界法的精度．通过分析使用4种不同的正则化δ函数时整个流场的离散误差,得到以下结论:浸入边界法只具有1阶精度;选用不同的正则化δ函数,不能提高浸入边界法的精度,但会影响整个流场的离散误差值．     

变系数双侧空间回火分数阶对流-扩散方程的隐式中点法

针对带非线性源项的变系数双侧空间回火分数阶对流-扩散方程,采用隐式中点法离散一阶时间偏导数,中心差商公式离散对流项,用二阶回火加权移位差分算子逼近左、右Riemann-Liouville空间回火分数阶偏导数,构造了一类新的数值格式.证明了数值方法的稳定性和收敛性,且方法在时间和空间均为二阶收敛.数值试验验证了数值方法的理论分析结果.     

An Element-Free Galerkin Method for Time-Fractional Diffusion-Wave Equations北大核心CSCD

利用无单元Galerkin法,对Caputo意义下的时间分数阶扩散波方程进行了数值求解和相应误差理论分析。首先用L1逼近公式离散该方程中的时间变量,将时间分数阶扩散波方程转化成与时间无关的整数阶微分方程;然后采用罚函数方法处理Dirichlet边界条件,并利用无单元Galerkin法离散整数阶微分方程;最后推导该方程无单元Galerkin法的误差估计公式。数值算例证明了该方法的精度和效果。     

非线性分数阶常微分方程的分段线性插值多项式方法

通过分段线性插值多项式方法构造了一类含有Hadamard有限部分积分的非线性常微分方程的数值离散格式.在时间方向上, 利用分段线性插值多项式方法对分数阶导数项进行近似, 并通过二阶向后差分格式来离散整数阶导数项.经过详细的证明, 得到了收敛精度为O(τmin{1+α,1+β})的误差估计结果.最后,通过数值算例和理论结果的对比直观地说明了理论分析的正确性.     

求解对流扩散方程的一致四阶紧致格式

目前,许多高精度差分格式,由于未成功地构造与其精度匹配的稳定的边界格式,不得不采用低精度的边界格式.本文针对对流扩散方程证明了存在一致四阶紧致格式,它的边界点的计算格式和内点的计算格式的截断误差主项保持一致,给出了具体内点和边界格式;并分析了此半离散格式的渐近稳定性.数值结果表明该格式是四阶精度;在对流占优情况下,本文边界格式的数值结果比四阶精度的显式差分格式的的数值结果的数值振荡小,取得了不错的效果,理论结果得到了数值验证;驱动方腔数值结果显示,本文对N-S方程的离散格式具有很好的可靠性,适合对复杂流体流动的数值模拟和研究.     

广义Rosenau-KdV方程的高精度守恒差分格式

对广义Rosenau-KdV方程提出一种在时间层和空间层上分别具有二阶和四阶精度的三层线性差分格式,所建格式是离散质量守恒和离散能量守恒的,利用离散能量法证明了差分格式的可解性、收敛性和稳定性.数值实验验证了该格式的精度和守恒性.     

二维土壤溶质输运方程基于POD方法的降阶CN有限元外推算法

首先给出二维土壤溶质输运方程时间二阶精度的Crank-Nicolson(CN)时间半离散化格式和时间二阶精度的全离散化CN有限元格式及其误差分析.然后利用特征投影分解(proper orthogonal decomposition,简记为POD)方法对二维土壤溶质输运方程的经典CN有限元格式做降阶处理,建立一种具有足够高精度、自由度很少的降阶CN有限元外推格式,并给出这种降阶CN有限元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.     

Maxwell方程的一种显式时间高精度有限差分方法

时间离散是Maxwell方程数值方法研究的重要内容,涉及方法的稳定性、收敛性、精度和计算复杂度等.本文利用Taylor多项式逼近理论,提出了一种时间离散新方法.该方法的特点是,显式计算,关于时间变量具有任意阶精度,容易与空间离散方法相结合.将该方法与空间离散的中心差分方法结合,提出求解三维Maxwell方程的一种显式有限差分方法,记为HAIT-FDTD (high accurate in time finite difference time domain).理论分析表明,新方法的精度关于空间二阶、关于时间M阶,其中M是多项式的次数并且在计算中可以选取任意值.利用Fourier分析证明了HAIT-FDTD稳定,并且稳定性条件不受CFL (Courant-Friedrichs-Lewy)条件的限制,同时还分析了数值弥散,证明了数值弥散关系式收敛于连续弥散关系式.数值实验给出了增长因子、数值弥散误差及对一个波导问题的计算和分析.计算结果验证了理论分析,并且发现HAIT-FDTD的数值弥散误差小于Yee格式和交替方向隐式时域有限差分方法 (alternating direction implicit finite difference time domain, ADI-FDTD)的相应误差;近似保持能量守恒性和电磁场散度为零的性质;计算和程序实现简单,具有Yee格式的优点,并且时间可以采取大步长,具有ADI-FDTD的特点,比ADI-FDTD更节省CPU时间,适于长时间计算.     

守恒型扩散方程非线性离散格式的性质分析和快速求解

对于守恒型扩散方程,研究其二阶时间精度非线性全隐有限差分离散格式的性质,证明了其解的存在唯一性.研究了二阶时间精度的Picard-Newton迭代格式,证明了迭代解对原问题真解的二阶时间和空间收敛性,以及对非线性离散解的二次收敛速度,实现了非线性问题的快速求解.本文中方法也适用于一阶时间精度格式的分析,并可推广至对流扩散问题.数值实验验证了二阶时间精度Picard-Newton迭代格式的高精度和高效率.     

非线性反应扩散方程的高精度有限差分方法

首先,针对空间二阶导数,提出了一种五点六阶差分公式.然后,针对一维非线性反应扩散方程,空间导数项采用该差分公式离散,时间导数项采用Crank-Nicolson方法进行离散,再利用Richardson外推方法将时间精度提高到四阶,提出了一种时间四阶空间六阶精度的有限差分格式.由于每一个时间层上所形成的线性方程组是五对角形的,因此采用五对角追赶法进行计算,计算简单且高效.最后通过数值实验验证了格式的精确性和可靠性.     

一种基于过滤与反卷积的新型高阶浸没边界法

传统浸没边界法在边界附近只有一阶精度,而高精度的改进方法都需要额外引入跳跃条件,因此不具备普适性．文中设计了一种基于过滤和反卷积的新型算法,既在一定程度上提高了精度,又避免了以往方法中引入额外跳跃条件的难题．通过一个简单的一维算例验证了新算法可以达到接近二阶精度,其具体的精度值与反卷积步骤中选取的逆核函数在积分域边界的连续性有关．     

A Hybrid Immersed Interface Method for Driven Stokes Flow in an Elastic Tube

We present a hybrid numerical method for simulating fluid flow through a compliant, closed tube, driven by an internal source and sink. Fluid is assumed to be highly viscous with its motion described by Stokes flow. Model geometry is assumed to be axisymmetric, and the governing equations are implemented in axisymmetric cylindrical coordinates, which capture 3D flow dynamics with only 2D computations. We solve the model equations using a hybrid approach: we decompose the pressure and velocity fields into parts due to the surface forcings and due to the source and sink, with each part handled separately by means of an appropriate method. Because the singularly-supported surface forcings yield an unsmooth solution, that part of the solution is computed using the immersed interface method. Jump conditions are derived for the axisymmetric cylindrical coordinates. The velocity due to the source and sink is calculated along the tubular surface using boundary integrals. Numerical results are presented that indicate second-order accuracy of the method.     

A simple and efficient implicit direct forcing immersed boundary model for simulations of complex flow

This paper presents an implementation of an implicit immersed boundary (IB) method in a flow solver based on the fractional step method and the finite volume method for complex flows involving moving boundaries and complex geometries. In this implementation, a body force caused by the immersed body is first introduced into the N-S equation to model the effect of immersed boundary. However, the body force is not pre-calculated, but implicitly determined in such a way that the velocity at the immersed boundary interpolated from the corrected velocity field accurately satisfies the no-slip and no-penetration conditions. Then, the large-eddy simulation is applied in the solver, where the subgrid-scale stress is determined by the Smagorinsky–Lilly model. Near the immersed boundaries, the subgrid-scale stress is determined by a wall model where the wall shear stress is directly calculated from the Lagrangian force(which represents the action of fluid on solid) on the immersed boundary. Such treatment makes the simulations of high Reynolds number turbulent flows feasible with the IB method. The accuracy and capability of the present method are demonstrated by simulations of a variety of both two- and three-dimensional simulations, including laminar flow past static and oscillating cylinders, rotating hydrofoil and turbulent flow around a three-dimensional circular cylinder and a sphere. It shows that the present implementation provides an easy-to-use, inexpensive and accurate technique for computational fluid dynamics in industrially relevant problems.     

基于浸入边界-有限元法的流固耦合碰撞数值模拟方法

针对流固耦合碰撞问题,建立了流体中固体与固体碰撞界面解析直接模拟方法,采用清晰界面浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时网格出现负体积的问题,采用基于罚函数的有限元方法对固体的运动和碰撞进行求解,以分域耦合方式实现流体域和固体域的耦合求解.通过与静止流体中球形颗粒与壁面正碰撞和斜碰撞的实验数据对比,验证了建立的数值模拟方法对流体中固体与固体碰撞数值模拟的正确性,获得了流体域流场在碰撞前后随时间的变化,同时通过该文建立的数值模拟方法也获得了固体域中固体的碰撞力和应力.未来,将把该数值模拟方法应用到流体流动环境中,如固体颗粒对管道的冲蚀、流体诱导海洋立管之间的碰撞、坠物对海底管道的撞击等.     

流体力学方程组一类人为解构造方法

针对柱对称二维流体力学方程组,基于考虑方程右端附加源项的人为构造解方法,构造出一类统一形式的人为解.此类形式的人为解,对验证多维流体力学应用程序的正确性有重要的作用.同时将该类统一形式的人为解应用到PPM格式的程序,验证了构造的人为解的可行性.     

Singular forces in the immersed interface method for rigid objects in 3D

In the immersed interface method, a boundary immersed in a fluid is represented as a singular force in the Navier–Stokes equations. An explicit approach was proposed recently for determining the singular force for the boundary of a rigid object with prescribed motion in 2D [Sheng Xu, The immersed interface method for simulating prescribed motion of rigid objects in an incompressible viscous flow, J. Comput. Phys. 227 (2008) 5045–5071]. Necessary formulas for extending the approach to 3D are derived in this work. With the implementation of these formulas, the immersed interface method can accurately, stably, and efficiently simulate the prescribed motion of rigid objects in 3D.     

三维弹塑性结构下限分析的边界元方法

基于极限分析的下限定理,建立了用常规边界元方法进行三维理想弹塑性结构极限分析的求解算法.下限分析所需的弹性应力场可直接由边界元方法求得.所需的自平衡应力场由一组带有待定系数的自平衡应力场基矢量的线性组合进行模拟,这些自平衡应力场基矢量由边界元弹塑性迭代计算得到.下限分析问题最终被归结为一系列未知变量较少的非线性数学规划子问题并通过复合形法进行求解.给出的计算结果表明该算法有较高的精度和计算效率.     

非齐次弹性力学问题双互易边界元方法研究北大核心CSCD

基于弹性力学边界元方法理论,将边界元法与双互易法结合,采用指数型基函数对非齐次项进行插值得到双互易边界积分方程.将边界积分方程离散为代数方程组,利用已知边界条件和方程特解求解方程组,得出域内位移和边界面力.指数型基函数的形状参数是由插值点最近距离的最小值决定,采用这种形状参数变化方案,分析径向基函数(RBF)插值精度以及插值稳定性.再次将指数型基函数应用到双互易边界元法中,分析双互易边界元方法下计算精度及稳定性,验证了指数型插值函数作为双互易边界元方法的径向基函数解决弹性力学域内体力项问题的有效性.     

Immersed Boundary Method on Deformable Unstructured Meshes for Airfoil Aeroacoustic Simulation

Computational Mathematics and Mathematical Physics - An immersed boundary method on unstructured meshes is used in serial eddy-resolving simulations of turbulent flows over individual bodies with a...