各向异性扩散问题一个单元中心型有限体积格式.pdf

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第32卷 第3期 工 程 数 学 学 报 Vo1.32No.3 2015年06月 CHINESEJOURNALOFENGINEERING MATHEMATICS June2015 doi:10.3969~.issn.1005—3085.2015.03.005 文章编号:1005—3085(2015)03—0359.10 各向异性扩散问题的一个单元中心型有限体积格式木 骆龙山1, 高志明 ,邬吉明 (1一中国工程物理研究院研究生部,北京 100088;2.北京应用物理与计算数学研究所,北京 100088) 摘 要:在辐射流体力学的数值模拟中,扩散算子的高效高精度离散是一个十分重要的问题. 本文研究各向异性扩散方程在任意多边形网格上的数值求解问题,我们利用调和平均 点和线性精确方法,构造了一个单元中心型有限体积格式.该格式只含有单元中心未 知量 ,满足局部守恒条件,有紧凑的计算模板,在结构四边形网格上退化为一个九点 格式 .由于调和平均点插值算法是一个具有两点模板的二阶保正算法,因此,采用单 元边上的调和平均点为插值节点,使得离散格式十分简洁,容易实施.此外,我们在 格式构造中仅采用了二、三维网格的共有拓扑关系,使格式容易向三维问题推广 ,大 部分程序代码可实现二、三维公用.我们采用典型的大变形扭曲网格及典型的扩散算 例 f包括连续和间断的扩散张量1对所提出的新格式进行了测试,数值算例表明,新格 式在许多扭 曲的多边形网格上具有二阶精度. 关键词:扩散方程;任意多边形网格;单元中心型有限体积格式;线性精确;调和平均点 分类号:AMS(2000)65N06 中图分类号:O241.82 文献标识码:A 1 引言 考虑如下定常扩散方程的定解问题 一 div(AVu)=f,在 内, (1) ¨=g, 在 Q上, (2) 其中QC 为平面上有界单连通多边形区域,A():Q x2是任意的对称正定扩散 张量,f∈L(Q)为源项,9是在aQ上给定的适当光滑的函数.该问题在众多领域中有着 广泛应用,如油藏模拟、半导体模型以及磁约束聚变等,其数值求解面临许多困难.如 在油藏模拟中,A可能是强各向异性的.又如在多介质Lagrange辐射(磁)流体力学计算 中,A具有强间断性,而且扩散计算须与流体计算相耦合,网格随流体流动会发生大变形 或滑移 .在任意多边形网格上,对含有任意各向异性张量的扩散方程构造简洁实用的高精 度数值格式,是一个十分有意义的课题 . 在上述背景下求解方程 (1),有限体积方法是常见的选项之一,因为它具有局部守 恒、计算量小、易于编程等优点. 目前,国内外 已有大量的相关研究工作,所获得的格 收稿 日期:2013—12—03.作者简介:骆龙山 (1989年7月生),男,硕士.研究方向:偏微分方程数值解法 基金项 目:国家自然科学基金11071024. 360 工 程 数 学 学 报 第32卷 式可分为混合型、杂交型和单元 中心型,其 中单元中心型格式在每个单元上只有一个未 知量,计算开销上有优势,是近年来 国内外相关领域研究中的热 门问题 .一个好的单元 中心格式,应当具有局部模板,简洁、鲁棒、容易实现,满足局部守恒性质,具有二阶 精度 ,导出对称正定的代数方程组,保持物理界限,适用于任意的多边形网格和任意的 扩散张量,有坚实的理论基础等等.为实现这些 目标,人们提出了许多格式,如多点流 格式[川、梯度逼近格式2[】、九点格式[33]、菱形格式f、线性精确格式[5]、非线性两点流格 式6[】等等.然而,目前还没有一个格式能够同时满足前面提到的全部要求,人们通常只能 在各种好的数值性质之间进行取舍,以满足特定的模

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