求解含有高阶导数偏微分方程的局部间断Petrov-Galerkin方法（英文）

构造一类求解三种类型偏微分方程的间断Petrov-Galerkin方法.求解的方程分别含有二阶、三阶和四阶偏导数,包括Burgers型方程、KdV型方程和双调和型方程.首先将高阶微分方程转化成为与之等价的一阶微分方程组,再将求解双曲守恒律的间断Petrov-Galerkin方法用于求解微分方程组.该方法具有四阶精度且具有间断Petrov-Galerkin方法的优点.数值实验表明该方法可以达到最优收敛阶而且可以模拟复杂波形相互作用,如孤立子的传播及相互碰撞等.     

局部间断Petrov-Galerkin方法在大气污染模型中的应用

构造数值模拟两类大气污染模型的局部间断Petrov-Galerkin方法.首先通过变量代换将大气污染模型方程转化为与之等价的一阶微分方程组,再利用间断Petrov-Galerkin方法求解微分方程组.该方法既可以选取不同的检验函数和试探函数空间,又可以保持间断Petrov-Galerkin方法的优势.同局部间断有限元方...     

局部时间步长间断有限元方法求解三维欧拉方程

使用间断有限元方法求解三维流体力学方程.空间剖分采用非结构四面体网格,为了克服显格式在单元网格尺寸差别较大时计算效率低下的问题,在格式中采用局部时间步长技术(LTS),即控制方程在空间、时间上积分得到一种单步格式,既可以局部计算每个单元又避免了Runge-Kutta高精度格式处理三维问题时存储量过大的问题.为了提高流体力学方程计算精度,在计算单元边界的数值流通量时使用任意高阶精度方法(ADER).数值算例表明格式稳定有效.     

基于广义交替数值通量的局部间断Galerkin方法求解二维波动方程

波的传播往往在复杂的地质结构中进行,如何有效地求解非均匀介质中的波动方程一直是研究的热点.本文将局部间断Galekin(local discontinuous Galerkin, LDG)方法引入到数值求解波动方程中.首先引入辅助变量,将二阶波动方程写成一阶偏微分方程组,然后对相应的线性化波动方程和伴随方程构造间断Galerkin格式;为了保证离散格式满足能量守恒,在单元边界上选取广义交替数值通量,理论证明该方法满足能量守恒性.在时间离散上,采用指数积分因子方法,为了提高计算效率,应用Krylov子空间方法近似指数矩阵与向量的乘积.数值实验中给出了带有精确解的算例,验证了LDG方法的数值精度和能量守恒性;此外,也考虑了非均匀介质和复杂计算区域的计算,结果表明LDG方法适合模拟具有复杂结构和多尺度结构介质中的传播.     

自适应间断有限元方法求解三维欧拉方程

将龙格库塔间断有限元方法(RDDG)与自适应方法相结合,求解三维欧拉方程.区域剖分采用非结构四面体网格,依据数值解的变化采用自适应技术对网格进行局部加密或粗化,减少总体网格数目,提高计算效率.给出四种自适应策略并分析不同自适应策略的优缺点.数值算例表明方法的有效性.     

自适应间断有限元方法求解双曲守恒律方程

研究自适应Runge-Kutta间断Galerkin (RKDG)方法求解双曲守恒律方程组,并提出两种生成相容三角形网格的自适应算法.第一种算法适用于规则网格,实现简单、计算速度快.第二种算法基于非结构网格,设计一类基于间断界面的自适应网格加密策略,方法灵活高效.两种方法都具有令人满意的计算效果,而且降低了RKDG的计算量.     

间断有限元方法求解一维非平衡辐射扩散方程

研究一维非平衡辐射扩散方程的数值方法.通过求解间断系数热传导方程的广义黎曼问题,得到一种带加权数值流量,基于该数值流量构造了一类新型的间断有限元方法.在时间离散上采用向后Euler方法,形成的非线性方程组采用Picard迭代求解.数值试验表明该方法具有捕捉大梯度的能力,而且能适应扩散系数间断的情形.     

一种基于高阶节点间断Galerkin方法的新型限制器设计

使用高阶间断Galerkin(discontinuous Galerkin, DG)方法求解双曲守恒律方程组时, 非物理效应常常导致计算过程的中断, 这在很大程度上制约着该方法在计算流体力学中的应用.文章结合局部单元上原始流动变量的Taylor展开, 设计了一种新型的限制器, 通过对各阶空间导数的重构, 有效地消除了非物理振荡的不利影响.对二维Euler方程的计算结果表明, 该限制器不仅能够捕捉高质量的激波, 而且能够保证残值的有效收敛.      

Lax-Wendroff时间离散的自适应间断有限元方法求解三维可压缩欧拉方程

应用自适应LWDG方法求解三维双曲守恒律方程组,与传统的二阶RKDG方法相比,该方法具有计算量小和精度高的特点.给出一种自适应策略,其中均衡折中策略适用于非相容四面体网格.将二维情形下的后验误差指示子推广到三维双曲守恒律方程组中,数值实验证明了方法的有效性.     

二维Lagrangian坐标系下可压气动方程组的间断Petrov-Galerkin方法

构造矩形网格下求解Lagrangian坐标系下气动方程组的单元中心型格式. 空间离散采用控制体积间断Petrov-Galerkin方法,时间离散采用二阶TVD Runge-Kutta方法. 利用限制器来抑制非物理震荡并保证RKCV算法的稳定性. 构造的算法可以保证物理量的局部守恒. 与Runge-Kutta间断Galerkin（RKDG）方法相比较,RKCV方法的计算公式少一项积分项使得计算较简单. 给出一些数值算例验证了算法的可靠性及效率.     

A Unified Lattice Boltzmann Model for Fourth Order Partial Differential Equations with Variable Coefficients

In this work, a unified lattice Boltzmann model is proposed for the fourth order partial differential equation with time-dependent variable coefficients, which has the form ut+α(t)(p1(u))x+β(t)(p2(u))xx+γ(t)(p3(u))xxx+η(t)(p4(u))xxxx=0. A compensation function is added to the evolution equation to recover the macroscopic equation. Applying Chapman-Enskog expansion and the Taylor expansion method, we recover the macroscopic equation correctly. Through analyzing the error, our model reaches second-order accuracy in time. A series of constant-coefficient and variable-coefficient partial differential equations are successfully simulated, which tests the effectiveness and stability of the present model.     

Analytical Approach for Nonlinear Partial Differential Equations of Fractional Order

The purpose of the paper is to present analytical and numerical solutions of a degenerate parabolic equation with time-fractional derivatives arising in the spatial diffusion of biological populations. The homotopy-perturbation method is employed for solving this class of equations, and the time-fractional derivatives are described in the sense of Caputo. Comparisons are made with those derived by Adomian's decomposition method, revealing that the homotopy perturbation method is more accurate and convenient than the Adomian's decomposition method. Furthermore, the results reveal that the approximate solution continuously depends on the time-fractional derivative and the proposed method incorporating the Caputo derivatives is a powerful and efficient technique for solving the fractional differential equations without requiring linearization or restrictive assumptions. The basis ideas presented in the paper can be further applied to solve other similar fractional partial differential equations.     

弹性力学的复变量无网格局部 Petrov-Galerkin 法

复变量移动最小二乘法构造形函数, 其优点是采用一维基函数建立二维问题的试函数, 使得试函数中所含的待定系数减少, 从而有效提高计算效率. 文章基于复变量移动最小二乘法和局部Petrov-Galerkin弱形式, 采用罚函数法施加边界条件, 推导相应的离散方程, 提出弹性力学的复变量无网格局部Petrov-Galerkin法. 数值算例验证了该方法的有效性.     

隐-显积分因子间断Galerkin方法求解二维辐射扩散方程

提出一种求解二维非平衡辐射扩散方程的数值方法.空间离散上采用加权间断Galerkin有限元方法,其中数值流量的构造采用一种新的加权平均;时间离散上采用隐-显积分因子方法,将扩散系数线性化,然后用积分因子方法求解间断Galerkin方法离散后的非线性常微分方程组.数值试验中在非结构网格上求解了多介质的辐射扩散方程.结果表明:对于强非线性和强耦合的非线性扩散方程组,该方法是一种非常有效的数值算法.     

Explicit Exact Solutions for Some Nonlinear Partial Differential Equations with Nonlinear Terms of Any Order

In this paper, by introducing some appropriate transformation and with the help of symbolic computation, we study exact travelling wave solutions for the high-order modified Boussinesq equation, a single nonlinear reaction-diffusion equation and a generalized nonlinear Schrödinger equation with nonlinear terms of any order by use of the extended-tanh method. Thus, some new exact travelling-wave solutions, which contain kink-shaped solitons, bell-shaped solitons, periodic solutions, combined formal solitons, rational solutions and singular solitons for these equations, are obtained.