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Stability Analysis and Performance Evaluation of Additive Mixed-Precision Runge-Kutta Methods
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作者 Ben Burnett Sigal Gottlieb Zachary J.Grant 《Communications on Applied Mathematics and Computation》 EI 2024年第1期705-738,共34页
Additive Runge-Kutta methods designed for preserving highly accurate solutions in mixed-precision computation were previously proposed and analyzed.These specially designed methods use reduced precision for the implic... Additive Runge-Kutta methods designed for preserving highly accurate solutions in mixed-precision computation were previously proposed and analyzed.These specially designed methods use reduced precision for the implicit computations and full precision for the explicit computations.In this work,we analyze the stability properties of these methods and their sensitivity to the low-precision rounding errors,and demonstrate their performance in terms of accuracy and efficiency.We develop codes in FORTRAN and Julia to solve nonlinear systems of ODEs and PDEs using the mixed-precision additive Runge-Kutta(MP-ARK)methods.The convergence,accuracy,and runtime of these methods are explored.We show that for a given level of accuracy,suitably chosen MP-ARK methods may provide significant reductions in runtime. 展开更多
关键词 Mixed precision runge-kutta methods Additive methods ACCURACY
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三级Runge-Kutta方法阶条件的推导
2
作者 王兰 陈萌 《赣南师范大学学报》 2024年第6期25-28,共4页
Runge-Kutta(RK)方法是数值求解常微分方程的基本方法,也是构造高阶单步法的重要途径.实际计算中具有构造思路简单、计算高效等优点.然而,这类方法在构造时涉及到多变量复合函数的高阶微分运算,运算起来非常复杂.几乎所有的计算方法教... Runge-Kutta(RK)方法是数值求解常微分方程的基本方法,也是构造高阶单步法的重要途径.实际计算中具有构造思路简单、计算高效等优点.然而,这类方法在构造时涉及到多变量复合函数的高阶微分运算,运算起来非常复杂.几乎所有的计算方法教材、专著都只给出方法的构造思想,同时给出几个常用的RK方法,很少讨论高阶方法的构造过程和相关细节,初学者学起来非常吃力,不能彻底理解RK方法.基于此,本文给出三级RK方法的构造过程,从而彻底理解方法的构造思想.最后通过一些例子来检验. 展开更多
关键词 常微分方程 三级runge-kutta方法 泰勒展开 待定系数法
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非线性控制系统的Runge-Kutta方法的输入状态稳定
3
作者 范振成 《闽江学院学报》 2024年第2期1-6,共6页
研究在什么条件下Runge-Kutta方法能够保持非线性控制系统的输入状态稳定。给出了Runge-Kutta方法生成的近似解保持控制系统真解的输入状态稳定的充分条件,特别证明了在一些常规条件下,所有Gauss-Legendre,Radau IA,Radau IIA,Lobatto I... 研究在什么条件下Runge-Kutta方法能够保持非线性控制系统的输入状态稳定。给出了Runge-Kutta方法生成的近似解保持控制系统真解的输入状态稳定的充分条件,特别证明了在一些常规条件下,所有Gauss-Legendre,Radau IA,Radau IIA,Lobatto IIIC型方法生成的近似解能够保持控制系统真解的输入状态稳定,这为实际应用中如何选择控制系统的数值方法问题奠定了理论基础。 展开更多
关键词 控制系统 runge-kutta方法 输入状态稳定
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求解热传导方程的二阶对角Runge-Kutta方法的时间并行预处理子
4
作者 谢银雯 张建华 《井冈山大学学报(自然科学版)》 2024年第6期8-16,共9页
针对二阶对角Runge-Kutta方法离散二维热传导方程导出的all-at-once线性系统,本研究提出了一个高效α循环矩阵预处理子,证明了二阶对角Runge-Kutta方法的A稳定性,给出预处理矩阵向量乘积的快速计算步骤,并从理论上分析出迭代矩阵的谱上... 针对二阶对角Runge-Kutta方法离散二维热传导方程导出的all-at-once线性系统,本研究提出了一个高效α循环矩阵预处理子,证明了二阶对角Runge-Kutta方法的A稳定性,给出预处理矩阵向量乘积的快速计算步骤,并从理论上分析出迭代矩阵的谱上界具有与网格大小无关的收敛性质。最后数值实验证实了预处理子的有效性。 展开更多
关键词 热传导方程 runge-kutta方法 α循环预处理子 GMRES方法
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Stability and Time-Step Constraints of Implicit-Explicit Runge-Kutta Methods for the Linearized Korteweg-de Vries Equation
5
作者 Joseph Hunter Zheng Sun Yulong Xing 《Communications on Applied Mathematics and Computation》 EI 2024年第1期658-687,共30页
This paper provides a study on the stability and time-step constraints of solving the linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation,using implicit-explicit(IMEX)Runge-Kutta(RK)time integration methods combined with either... This paper provides a study on the stability and time-step constraints of solving the linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation,using implicit-explicit(IMEX)Runge-Kutta(RK)time integration methods combined with either finite difference(FD)or local discontinuous Galerkin(DG)spatial discretization.We analyze the stability of the fully discrete scheme,on a uniform mesh with periodic boundary conditions,using the Fourier method.For the linearized KdV equation,the IMEX schemes are stable under the standard Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)conditionτ≤λh.Here,λis the CFL number,τis the time-step size,and h is the spatial mesh size.We study several IMEX schemes and characterize their CFL number as a function ofθ=d/h^(2)with d being the dispersion coefficient,which leads to several interesting observations.We also investigate the asymptotic behaviors of the CFL number for sufficiently refined meshes and derive the necessary conditions for the asymptotic stability of the IMEX-RK methods.Some numerical experiments are provided in the paper to illustrate the performance of IMEX methods under different time-step constraints. 展开更多
关键词 Linearized Korteweg-de Vries(KdV)equation Implicit-explicit(IMEX)runge-kutta(RK)method STABILITY Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)condition Finite difference(FD)method Local discontinuous Galerkin(DG)method
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基于精细Runge-Kutta混合积分法的车桥耦合振动非迭代求解算法 被引量:11
6
作者 杜宪亭 夏禾 +2 位作者 张田 田园 曹艳梅 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2013年第13期39-42,55,共5页
针对结构非线性问题,采用4阶Runge-Kutta法展开精细积分法中响应状态方程的Duhamel项,构造了一种既可以避免迭代又具有较高精度的精细Runge-Kutta混合积分方法,在此基础上提出了适用于车桥耦合振动高效求解的分析框架。车桥耦合系统由... 针对结构非线性问题,采用4阶Runge-Kutta法展开精细积分法中响应状态方程的Duhamel项,构造了一种既可以避免迭代又具有较高精度的精细Runge-Kutta混合积分方法,在此基础上提出了适用于车桥耦合振动高效求解的分析框架。车桥耦合系统由车辆、桥梁子系统组成,均采用有限元建模,其中车辆子系统采用部件刚体假定,而桥梁子系统借助于振型叠加法缩减自由度数目;两个子系统内部非线性作用以及系统间的相互作用通过非线性的虚拟力表达。以一节4轴客车匀速通过32m简支梁为研究对象,分别采用分析框架法、Runge-Kutta法进行动力分析。数值结果对比表明:相对于Runge-Kutta法,精细Runge-Kutta混合法能够显著提高计算收敛的积分步长;分析框架可以应用到实际工程中。 展开更多
关键词 车桥系统 动力相互作用 精细积分法 runge-kutta 振型叠加法
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Symplectic partitioned Runge-Kutta method based onthe eighth-order nearly analytic discrete operator and its wavefield simulations 被引量:3
7
作者 张朝元 马啸 +1 位作者 杨磊 宋国杰 《Applied Geophysics》 SCIE CSCD 2014年第1期89-106,117,118,共20页
We propose a symplectic partitioned Runge-Kutta (SPRK) method with eighth-order spatial accuracy based on the extended Hamiltonian system of the acoustic waveequation. Known as the eighth-order NSPRK method, this te... We propose a symplectic partitioned Runge-Kutta (SPRK) method with eighth-order spatial accuracy based on the extended Hamiltonian system of the acoustic waveequation. Known as the eighth-order NSPRK method, this technique uses an eighth-orderaccurate nearly analytic discrete (NAD) operator to discretize high-order spatial differentialoperators and employs a second-order SPRK method to discretize temporal derivatives.The stability criteria and numerical dispersion relations of the eighth-order NSPRK methodare given by a semi-analytical method and are tested by numerical experiments. We alsoshow the differences of the numerical dispersions between the eighth-order NSPRK methodand conventional numerical methods such as the fourth-order NSPRK method, the eighth-order Lax-Wendroff correction (LWC) method and the eighth-order staggered-grid (SG)method. The result shows that the ability of the eighth-order NSPRK method to suppress thenumerical dispersion is obviously superior to that of the conventional numerical methods. Inthe same computational environment, to eliminate visible numerical dispersions, the eighth-order NSPRK is approximately 2.5 times faster than the fourth-order NSPRK and 3.4 timesfaster than the fourth-order SPRK, and the memory requirement is only approximately47.17% of the fourth-order NSPRK method and 49.41% of the fourth-order SPRK method,which indicates the highest computational efficiency. Modeling examples for the two-layermodels such as the heterogeneous and Marmousi models show that the wavefields generatedby the eighth-order NSPRK method are very clear with no visible numerical dispersion.These numerical experiments illustrate that the eighth-order NSPRK method can effectivelysuppress numerical dispersion when coarse grids are adopted. Therefore, this methodcan greatly decrease computer memory requirement and accelerate the forward modelingproductivity. In general, the eighth-order NSPRK method has tremendous potential value forseismic exploration and seismology research. 展开更多
关键词 SYMPLECTIC partitioned runge-kutta method NEARLY ANALYTIC DISCRETE OPERATOR Numerical dispersion Wavefield simulation
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结构动力方程求解的改进精细Runge-Kutta方法 被引量:5
8
作者 张继锋 邓子辰 张凯 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2015年第4期378-385,共8页
在已有精细Runge-Kutta(龙格-库塔)方法的基础上,考虑了状态空间方程非齐次项的特点和外荷载的特殊性,提出了求解结构动力方程的改进精细Runge-Kutta方法.通过对矩阵进行分块计算,在利用原有精细Runge-Kutta方法高精度的同时进一步提高... 在已有精细Runge-Kutta(龙格-库塔)方法的基础上,考虑了状态空间方程非齐次项的特点和外荷载的特殊性,提出了求解结构动力方程的改进精细Runge-Kutta方法.通过对矩阵进行分块计算,在利用原有精细Runge-Kutta方法高精度的同时进一步提高了计算效率,有利于大型结构的长时间仿真.将改进精细Runge-Kutta方法应用于结构动力方程求解,为其求解提供一种新方法.数值算例表明了改进方法的正确性和有效性. 展开更多
关键词 结构动力方程 精细积分 简化计算 runge-kutta方法
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辛Runge-Kutta方法在卫星交会对接中的非线性动力学应用研究 被引量:6
9
作者 李庆军 叶学华 +1 位作者 王博 王艳 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2014年第12期1299-1307,共9页
卫星交会对接问题是实现太空平台等空间系统的关键问题之一.考虑了由于地球引力作用而引起的卫星交会对接中的非线性动力学问题.首先,采用能量方法给出Lagrange函数;然后,通过引入广义坐标和广义动量,以及Legendre变换,得到Hamilton方程... 卫星交会对接问题是实现太空平台等空间系统的关键问题之一.考虑了由于地球引力作用而引起的卫星交会对接中的非线性动力学问题.首先,采用能量方法给出Lagrange函数;然后,通过引入广义坐标和广义动量,以及Legendre变换,得到Hamilton方程;随后,采用辛Runge-Kutta方法求解该Hamilton方程,并与传统的四阶Runge-Kutta方法对比.数值结果表明:辛Runge-Kutta方法能够在积分过程中长时间保持系统的固有特性,为天体动力学问题的研究提供了良好的数值方法. 展开更多
关键词 卫星空间交会对接 非线性动力学 HAMILTON系统 runge-kutta方法
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基于2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法的电磁暂态计算方法 被引量:14
10
作者 杨萌 汪芳宗 《电力系统保护与控制》 EI CSCD 北大核心 2017年第6期68-73,共6页
在电力系统电磁暂态计算中,由于各种突变情况的发生,将导致数值计算中存在数值振荡。为有效解决电力系统电磁暂态计算中的数值振荡问题,将一种2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法运用于电磁暂态数值计算中。由理论分析可知,该数值积分方法... 在电力系统电磁暂态计算中,由于各种突变情况的发生,将导致数值计算中存在数值振荡。为有效解决电力系统电磁暂态计算中的数值振荡问题,将一种2级3阶单对角隐式Runge-Kutta法运用于电磁暂态数值计算中。由理论分析可知,该数值积分方法具有非线性B-稳定性,即具有能量耗散性或非线性阻尼特性。算例结果表明,与现有的方法相比较,使用该方法进行电磁暂态计算,能够在不增加计算量的情况下,有效避免因突变情况导致的数值振荡。 展开更多
关键词 电磁暂态计算 数值积分方法 runge-kutta 数值振荡
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基于Runge-Kutta法和外推法的水库调洪演算 被引量:6
11
作者 黄朝煊 王正中 刘铨鸿 《人民黄河》 CAS 北大核心 2011年第7期42-44,共3页
为了解决数值解析法步长对水库调洪演算成果精度的影响问题,提出了R-K外推法,即采用精度更高的Runge-Kutta英格兰法与外推法相结合的方法,使计算精度达到甚至优于其他数值解法的精度,并采用拉格朗日插值法解决了实际最高水位一般不落在... 为了解决数值解析法步长对水库调洪演算成果精度的影响问题,提出了R-K外推法,即采用精度更高的Runge-Kutta英格兰法与外推法相结合的方法,使计算精度达到甚至优于其他数值解法的精度,并采用拉格朗日插值法解决了实际最高水位一般不落在离散解上的问题,得出精度更高的调洪演算成果。调洪演算实例表明该法可以满足工程实践的要求。 展开更多
关键词 调洪演算 拉格朗日法 runge-kutta 外推法
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Runge-Kutta方法求解结构动力学方程 被引量:8
12
作者 吴志桥 高普云 任钧国 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第9期2085-2090,2105,共7页
将几种具有不同稳定性的Runge-Kutta方法应用到结构动力学方程的数值求解中。针对增量形式的动力学方程,使用改进的Newton-Raphson迭代,研究了减少计算量的两种方法:(1)使用单对角隐式Runge-Kutta方法,(2)应用转化矩阵。采用逼近算子的... 将几种具有不同稳定性的Runge-Kutta方法应用到结构动力学方程的数值求解中。针对增量形式的动力学方程,使用改进的Newton-Raphson迭代,研究了减少计算量的两种方法:(1)使用单对角隐式Runge-Kutta方法,(2)应用转化矩阵。采用逼近算子的谱半径分析了稳定性与数值阻尼特性,解释了L-稳定方法抑制高频振荡的原因。数值算例表明在精确解上较小的物理阻尼能有效的抑制高频振荡,但对各种直接积分方法的影响很小,高精度的L-稳定Runge-Kutta方法能在有效抑制高频振荡的同时高精度的求解低频振动。 展开更多
关键词 结构动力学方程 runge-kutta方法 数值阻尼 L-稳定性
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超前型自变量分段连续型微分方程的Runge-Kutta方法的数值稳定性 被引量:6
13
作者 吕万金 宋迎春 《黑龙江大学自然科学学报》 CAS 北大核心 2010年第3期281-286,共6页
讨论一类特殊类型的超前型自变量分段连续型微分方程的解析解的稳定性,及应用Runge-Kutta方法于该方程所得数值解的稳定性。应用M.Z.Liu等在1990年证明的结果给出了N>2时解析解渐近稳定的充分条件;同时给出了N=2时解析解渐近稳定的... 讨论一类特殊类型的超前型自变量分段连续型微分方程的解析解的稳定性,及应用Runge-Kutta方法于该方程所得数值解的稳定性。应用M.Z.Liu等在1990年证明的结果给出了N>2时解析解渐近稳定的充分条件;同时给出了N=2时解析解渐近稳定的充要条件。利用Or-der-Star和Padé逼近理论,给出了当Runge-Kutta方法的稳定函数是ex的Padé逼近时数值解保持解析解渐近稳定的充分必要条件。 展开更多
关键词 分段连续 超前型 runge-kutta方法 稳定性
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Runge-Kutta法求解弹性地基梁的数值方法及其在基坑施工分析中的应用 被引量:4
14
作者 谭新 丁万涛 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第z1期2328-2332,共5页
采用特殊处理的有限差分法求解弹性地基梁的挠曲方程,剪应力连续的区域用 Runge-Kutta 差分法离散,不连续的奇异点根据内力平衡条件建立传递矩阵.由于直接将要求的内力作为未知量,因而能处理复杂的边界条件,求解结果具有较高的精度.用... 采用特殊处理的有限差分法求解弹性地基梁的挠曲方程,剪应力连续的区域用 Runge-Kutta 差分法离散,不连续的奇异点根据内力平衡条件建立传递矩阵.由于直接将要求的内力作为未知量,因而能处理复杂的边界条件,求解结果具有较高的精度.用该方法对基坑施工的工程进行了数值模拟. 展开更多
关键词 土力学 弹性地基梁 runge-kutta 传递矩阵 基坑
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基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法 被引量:5
15
作者 吴玉香 王鹏 《华南理工大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第10期121-128,共8页
针对传统的NURBS曲线加工过程中插补算法插补参数计算精度低、实时性不高以及加速度过大对机床造成的冲击大的问题,提出了基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法.该算法采用经典Runge-Kutta方法计算插补参数,基于弓高误差和法向... 针对传统的NURBS曲线加工过程中插补算法插补参数计算精度低、实时性不高以及加速度过大对机床造成的冲击大的问题,提出了基于Runge-Kutta的NURBS曲线实时前瞻插补算法.该算法采用经典Runge-Kutta方法计算插补参数,基于弓高误差和法向加速度约束条件自动调整进给速度,根据进给步长预期值与实际值的偏差进行参数校正.由粗插补得到的离线数据寻找进给速度极值点,并对曲线进行前瞻分段,找到各前瞻插补区间上的首末速度敏感点.根据敏感速度与插补距离之间的关系重新进行加减速控制,避免速度急剧变化,从而满足机床的加减速性能要求.最后,通过Matlab仿真验证了算法的有效性. 展开更多
关键词 数控系统 NURBS曲线 runge-kutta 前瞻插补算法
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基于四阶Runge-Kutta方法的大地主题正算 被引量:2
16
作者 朱宁宁 张赵兴 +1 位作者 梁晓莉 魏祖帅 《河南城建学院学报》 CAS 2013年第4期52-55,共4页
基于椭球面上大地线的微分方程,将各大地主题元素之间的关系作为初始条件,通过数值方法求解大地线的微分方程,进行大地主题的正解。以实际数据验证了其正确性与可行性。采用严密公式计算,精度高,公式简单,特别适用于计算机解算。
关键词 runge-kutta 大地主题正算 数值解法
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多延迟微分方程Runge-Kutta方法的散逸性 被引量:3
17
作者 王素霞 王炳涛 文立平 《吉首大学学报(自然科学版)》 CAS 2007年第4期20-23,共4页
研究了一类多延迟微分方程数值方法的散逸性问题.介绍了GD(l)-散逸性,并证明了代数稳定的Runge-Kutta方法用于此类问题时是GD(l)-散逸的.该结果表明,所考虑的数值方法继承了方程本身的散逸性.
关键词 多延迟微分方程 runge-kutta方法 散逸性
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两种半隐式三阶随机Runge-Kutta方法 被引量:3
18
作者 朱晓临 王子洁 李井刚 《计算机工程与应用》 CSCD 2012年第15期49-53,128,共6页
根据彩色树理论,构造了两种求解Stratonovich型随机微分方程的半隐式三阶随机Runge-Kutta方法,给出了这两种方法的稳定性分析,其稳定区域比现有方法的稳定区域大;数值模拟的结果表明两个方法都具有较高的精度。
关键词 随机微分方程 彩色树 三阶随机runge-kutta方法 均方稳定
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基于S-A湍流模型的Runge-Kutta有限元算法 被引量:3
19
作者 曹鹏程 廖绍凯 +1 位作者 张研 陈达 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期185-191,共7页
采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutt... 采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutta法对其进行时间离散;然后利用沿流线的Taylor展开解决坐标变换带来的网格更新的困难;最后采用Galerkin法进行空间离散,得到湍流模型的有限元算法。基于方柱绕流和覆冰输电线绕流模型,与试验结果进行对比,验证了该算法的有效性,与一阶数值算法相比,该算法在精度和收敛性方面更具优势。 展开更多
关键词 S-A方程 RANS方程 runge-kutta 有限元 方柱 覆冰输电线
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粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法 被引量:2
20
作者 廖绍凯 张研 陈达 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期226-232,共7页
对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S(Navier-Stokes)方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,... 对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S(Navier-Stokes)方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算,通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析,进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。 展开更多
关键词 NAVIER-STOKES方程 四阶runge-kutta 收敛性 耗散性 精度
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