DG方法求解对流扩散方程的超收敛和一致收敛性

DG方法求解对流扩散方程的超收敛和一致收敛性

论文摘要

1973年Reed和Hill[72]在求解中子输运方程(一阶双曲型方程)时提出了间断有限元方法(the discontinuous Galerkin finite element method,简记为DG)。自此之后,用间断有限元求解双曲问题和椭圆问题的研究几乎同时得到了快速的发展。1997年,Bassi和Rebay[11]设计了一种间断有限元方法求解Navier-Stokes方程,并且获得了稳定的高阶收敛格式。受Bassi和Rebay数值实验结果的启发,Cockburn和Shu[36]提出了局部间断有限元法(简记为LDG),同时Baumann和Oden[8]也发展了一种新的DG方法。现在DG方法已经被广泛应用于求解双曲守恒律组、椭圆方程、对流扩散方程、Hamilton-Jacobia方程,以及KdV方程等。关于DG方法的全面综述及其应用参看[31]。用间断有限元方法求解对流扩散问题是近年来的热门研究课题。受DG方法求解双曲型方程巨大成功的启发,本文用DG方法求解对流扩散方程。证明了一大类间断有限元方法求解定常对流扩散问题的存在唯一性,并且得到了u和q=u’的离散误差的一个渐进展开表达式。对md-LDG方法,间断有限元解U和其导数Q的离散误差的主项分别与每个单元的p+1阶右Radau和左Radau多项式成比例。事实上,单元内部的p+1阶右Radau点和左Radau点分别是U和Q的p+2阶超收敛点。对其它满足相容性和守恒性的DG方法,在一定的假设条件下,其间断有限元解U和其导数Q的离散误差的主项都与p阶Legendre多项式成比例。因此间断有限元解的导数Q在Gauss点有p+1阶超收敛。基于这些超收敛性质,我们得到了一个后验误差估计。数值例子证实了理论证明的可靠性。当扩散系数ε趋向于零时,一般的数值方法在均匀网格下求解奇异摄动对流扩散问题,不能得到一致收敛的格式。本文在两种局部加密网格(即Shishkin网格和改进的等级网格)下,用LDG方法求解一维和二维奇异摄动对流扩散问题。数值结果表明,对任意小的ε,即使在均匀网格下,对一维和二维情形,LDG方法都不会产生任何非物理震荡。在Shishkin网格和改进的等级网格下,数值通量有2p+1阶一致超收敛。改进的等级网格不但保持了Shishkin网格原有的优点,而且更有效更稳定。值得指出的是,一致收敛性的理论证明非常困难,有待进一步研究。最后本文设计了一种新的DG方法求解对流扩散方程,随后对解的存在唯一性给出了证明。在节点处数值流通量有2p+1阶超收敛,在改进的等级网格下,DG解还具有一致的收敛性。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 1.绪论
  • 1.1 研究背景和间断有限元方法
  • 1.1.1 双曲问题的DG方法
  • 1.1.2 对流扩散问题的DG方法
  • 1.1.3 DG方法的超收敛和一致收敛研究状况
  • 1.2 本文的贡献
  • 1.3 本文的结构
  • 2.预备知识
  • 2.1 正交多项式
  • 2.2 Shishkin网格和改进的等级网格
  • 3.间断有限元的超收敛性
  • 3.1 对流扩散方程的DG方法
  • 3.2 一维问题LDG间断有限元解的存在唯一性
  • 3.3 md-LDG方法的超收敛性
  • 3.4 相容与守恒的DG方法的超收敛性
  • 3.5 数值算例
  • 3.6 一个基于超收敛的后验误差估计
  • 4.LDG方法求解奇异摄动问题的一致收敛性
  • 4.1 引言
  • 4.2 二维奇异摄动问题的LDG方法
  • 4.3 二维问题LDG方法解的存在唯一性
  • 4.4 数值算例
  • 4.4.1 一维数值算例
  • 4.4.2 二维数值算例
  • 5.求解对流扩散方程的一种新的DG方法
  • 5.1 求解对流扩散方程的一种新的DG方法的数值格式
  • 5.2 DG解的存在唯一性
  • 5.3 数值算例
  • 6.总结
  • 6.1 概要
  • 6.2 工作展望
  • 参考文献
  • 附录一 攻读博士学位期间发表或接受发表的学术论文
  • 附录二 致谢
  • 相关论文文献

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