非线性Schrdinger方程的直接间断Galerkin方法

讨论一维和二维非线性Schrdinger(NLS)方程的数值求解.基于扩散广义黎曼问题的数值流量,构造一种直接间断Galerkin方法(DDG)求解非线性Schrdinger方程.证明该方法L2稳定性,并说明DDG格式是一种守恒的数值格式.对一维NLS方程的计算表明,DDG格式能够模拟各种孤立子形态,而且可以保持长时间的高精度.二维NLS方程的数值结果显示该方法的高精度和捕捉大梯度的能力.

基于直接间断Galerkin方法的油浸式变压器绕组及铁芯温度场计算

在研究油浸式变压器绕组、铁芯及四周温度场分布的问题上,提出通过直接间断有限元方法(直接间断Galerkin(DG)方法)计算其温度场。该方法不用引入辅助变量,可直接在热传导方程分部积分后得到的弱形式上构建数值流量,就可以得出直接间断Galerkin格式,因而可使计算过程简化。在变压器功率为1.3倍时,误差范围在0.2℃以内,完全可以满足工程的实际需要,计算的结果与IEEE模型的计算数据对比,结果表明与之相符。证明直接间断有限元方法在计算油浸式变压器绕组、铁芯及周围温度场分布是一种高效准确的数值方法。

椭圆方程的直接间断Galerkin方法

利用直接间断Galerkin(DDG)来解决二维椭圆方程问题,讨论了该方法的基本来源,并将该方法拓展在无界区域,首先引入人工边界Γ,在有界区域内使用DDG方法来解决,在人工边界上使用自然边界元方法来进行解决。以往文章使用局部间断Galerkin与自然边界元方法来解决过这类问题,在此基础上使用DDG方法来解决,并用实验结果来论证此方法的可行性。

一种基于局部间断Galerkin方法的IC互连线电容提取策略

求解椭圆方程的局部间断Galerkin(LDG)方法具有精度高、并行效率高的优点,且能适用于各种网格。文章提出采用LDG方法来求解IC版图中电势分布函数满足的Laplace方程,从而给出了一个提取互连线电容的新方法。该问题的求解区域需要在矩形区域内部去掉数量不等的导体区域,在这种特殊的计算区域上,通过数值测试验证了LDG方法能达到理论的收敛阶。随着芯片制造工艺的发展,导体尺寸和间距也越来越小,给数值模拟带来新的问题。文章采用倍增网格剖分方法,大幅减小了计算单元数。对包含不同数量和形状导体的七个电路版图,用新方法提取互连线电容,得到的结果与商业工具给出的结果非常接近,表明了新方法的有效性。

一种直接间断Galerkin方法的误差分析

提出一种求解非线性扩散方程的直接间断Galerkin方法.在空间离散上,采用Stirling插值公式构造了一种含有高阶导数项的数值流;在时间离散上,采用通常的Runge-Kutta方法.在理论上,证明了由这种直接间断Galerkin方法得到的计算格式是非线性稳定的,相应数值解不仅具有最优的能量误差估计,而且具有最优的L2误差估计.数值实验验证了方法的有效性.

二维外问题的高阶直接间断 Galerkin 与自然边界元耦合法

研究直接间断Galerkin(DDG)与自然边界元(NBEM)耦合的方法来求解二维外无界区域问题.首先,引入圆周人工边界Γ,根据自然边界归化的原理获得Γ上DtN边界条件.然后,采用直接间断Galerkin方法求解基于Γ上Dirichlet边界条件的有界区域内部问题,再结合DtN条件获得弱变分问题.由于人工边界为圆周曲线,网络剖分后邻近圆周的单元为曲边三角形,利用曲边三角形上的迹逆估计和最佳多项式插值估计,证明了能量模下逼近解达到最优k(≥2)阶误差.数值例子说明了该方法的有效性和理论分析的正确性.

对流扩散方程的隐式全离散局部间断Galerkin方法

研究了对流扩散方程的隐式全离散局部间断Galerkin方法的稳定性和误差分析.将三阶隐式Runge-Kutta时间离散和具有广义交替数值流通量的LDG方法相结合得到全离散LDG格式,通过广义交替数值流通量,建立数值解和辅助解内积之间的关系,证明了全离散LDG格式的无条件稳定,同时引入广义Gauss-Radau投影,通过投影的逼近性质和一些基本不等式建立了数值方法的最优误差估计,最后通过数值实验验证该方法理论分析的正确性.

Caputo型时间分数阶变系数扩散方程的局部间断Galerkin方法

提出一种带有Caputo导数的时间分数阶变系数扩散方程的数值解法.方程的解在初始时刻附近通常具有弱正则性,采用非一致网格上的L1公式离散时间分数阶导数,并使用局部间断Galerkin(local discontinuous Galerkin,LDG)方法离散空间导数,给出方程的全离散格式.基于离散的分数阶Gronwall不等式,证明了格式的数值稳定性和收敛性,且所得结果关于α是鲁棒的,即当α→1^(-)时不会发生爆破.最后,通过数值算例验证理论分析的结果.

四阶线性方程极弱局部间断Galerkin法傅里叶分析

主要研究了四阶线性方程极弱局部间断Galerkin方法的傅里叶误差分析问题。首先,给出四阶线性方程的极弱局部间断Galerkin空间离散格式,并在周期边界条件及一致网格的条件下将离散格式表示为差分形式,然后,在k=2的情况下,利用傅里叶分析方法分析其稳定性及其误差估计问题,最后,利用数值实验,分别对得到的结果进行验证。

空间分数阶方程的对称直接间断伽辽金法

针对一类包含Caputo导数的空间扩散方程,结合局部间断伽辽金法与对称的直接间断伽辽金法构建了新的数值格式.对离散格式的误差进行了详细的分析,并通过几个数值算例验证了理论分析的结果.

抛物型积分微分方程的全离散界面修正直接间断有限元法

针对线性抛物型积分微分方程,首先利用带界面修正的直接间断有限元(DDGIC)法对空间离散,分析半离散格式的稳定性;然后在时间方向应用Crank-Nicolson法,建立全离散的Crank-Nicolson/DDGIC格式,对全离散格式的收敛性进行了详细讨论;最后给出数值算例验证方法的有效性和理论结果.

线性四阶方程隐-显式Runge-Kutta超弱局部间断Galerkin方法的稳定性分析

本文分析一维线性四阶方程全离散隐-显式Runge-Kutta超弱局部间断Galerkin方法的稳定性。首先给出线性四阶方程基于交替数值流通量的超弱局部间断Galerkin空间离散格式,建立数值解的导数与辅助变量之间的关系,通过能量分析,证明了1~3阶隐-显超弱局部间断Galerkin格式的稳定性,最后通过数值实验验证了理论结果。

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法(DG-FEM)作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔(SSP Runge-Kutta)算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层(NPML)的思想,基于复频移(CFS)拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件(简称为CFS-NPML),该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.

一种适用于非结构网格的间断Galerkin有限元LU-SGS隐式方法

具有TVD性质的显式Runge-Kutta间断Galerkin(RKDG)格式在CFD领域得到广泛应用,但是显式计算稳定性差、计算效率低。为改善时间推进效率,基于高阶间断Galerkin有限元方法,采用欧拉一阶后差(BDF1),发展了一套高效的隐式LU-SGS(lower upper-symmetric Gauss-Seidel)求解方法,方法基于MPI并行实现,适合于不同计算精度。针对非线性系统左端项矩阵,对比了简化前后LU-SGS的计算效率。建立的间断Galerkin有限元方法基于非结构网格,采用Taylor基函数,计算精度最高达到四阶精度。通过NACA0012翼型以及M6机翼算例对发展的LU-SGS方法进行了考察,与显式算法相比,隐式格式的迭代步数和CPU时间均较大程度减小,效率能够提高1个量级以上。最后将隐式算法用于复杂外形翼身组合体F4的流场计算,结果表明所发展的隐式方法具有较好的鲁棒性,能够用于复杂外形计算。

基于雅可比矩阵精确计算的GMRES隐式方法在间断Galerkin有限元中的应用

为改善高阶间断Galerkin有限元方法(DG)时间推进效率,在三维非结构网格下针对该方法建立了并行广义最小残差(Generalized Minimal Residual,GMRES)隐式时间迭代方法,GMRES方法基于科学计算工具包PETSc中的Krylov子空间求解器实现。为进一步提高GMRES的计算效率,发展了方程组右端项残值雅可比精确计算方法,针对无黏通量Roe格式和黏性通量BR2(Bassi Rebay 2)黏性计算方法,分别解析给出其对守恒变量多项式自由度的雅可比矩阵。基于建立的方法首先采用NACA0012翼型研究了GMRES的重启次数及收敛参数对方法收敛性影响,然后采用无黏及黏性算例对比研究了基于雅可比矩阵不同计算方法的GMRES计算效率,同时对比研究了雅可比矩阵完全近似求解下GMRES和LU-SGS(Lower Upper-Symmetric Gauss-Seidel)的计算效率。结果表明,建立的基于右端项残值雅可比矩阵精确求解的GMRES方法能够大幅提高不同精度DG方法的CFL(CourantFriedrichs-Lewy)数,相比前面提到的其它方法具有更高的计算效率,其收敛速度实现量级以上的提高。

Navier-Stokes方程间断Galerkin有限元方法研究

通过引入全局提升算子和局部提升算子,发展了求解Navier-Stokes方程的间断Galerkin(discontinuousGalerkin,DG)有限元方法的一般框架,并在此框架下给出了几种典型黏性离散格式的具体表达形式.对局部提升算子的求解给出了详细的计算步骤.同时还给出了一种简单有效的计算方法来对物面边界进行高阶近似.为了能够对NS方程进行精度测试,采用对原始系统添加源项的方法构造精确解.二维Euler和NS系统的精度测试表明该方法达到了DG方法的理论精度.二维圆柱无黏绕流的计算结果表明关于物面边界的高阶近似方法能够保持DG方法原有的精度.卡门涡街数值模拟则进一步验证了该方法的正确性并且显示出DG方法较高的计算精度和分辨率.

不连续温度场问题的间断Galerkin方法

针对不连续温度场问题建立了一种间断Galerkin有限元方法,该方法的主要特点是允许插值函数在单元边界上存在跳变.在建立有限元方程时,通过在单元边界上引入数值通量项和稳定性项来处理间断效应,并且数值通量可以直接由接触热阻的定义式导出.数值算例表明该方法可以很方便且准确地捕捉到结构内部由于接触热阻而引起的温度跳变,同时在局部高梯度温度场的模拟方面也比常规连续Galerkin有限元方法效率明显要高.该方法也为研究由接触热阻引起的温度场与应力场之间的耦合问题提供了一种新的数值模拟手段.

谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法

基于伪一维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和理想气体状态方程,并结合保持强稳定性的三阶Runge-Kutta格式和斜率限制器技术,构建一种整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法。分别对直圆柱形、指数形以及圆锥形谐振管内的非线性驻波进行数值仿真计算,通过与现有数值仿真结果对比,验证了本方法的正确性,并重现了已有试验中非线性驻波压力波形中的第二峰值。在直圆柱形和指数形谐振管内研究间断Galerkin方法的两种网格加密方式对于不同形状下谐振管内非线性驻波仿真计算的数值精度、消除数值振荡和准确捕捉激波的不同作用,以及不同CFL数对于数值精度的影响。在指数形谐振管内,通过与有限体积法不同网格数目下的数值仿真结果和计算时间对比,验证了本方法具有耗时短、效率高以及计算精度高的优点。在圆锥形谐振管内,研究不同流速下谐振管内压力和速度波形的变化,并发现随着流速的增加,谐振管小端处的压力幅值增加,大端处速度幅值也随之增加且速度波形中会产生激波。通过间断Galerkin方法分析研究几种谐振管内非线性驻波的各种物理属性,为谐振管形状优化提供了重要参考,也为实现谐振管内非线性驻波的工程应用奠定了良好的基础。

求解RANS方程的高阶间断Galerkin方法研究

基于二维结构网格,对间断Galerkin方法(DGM)求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程进行了研究。根据混合有限元方法的思想,引入辅助变量,对粘性项中的高阶导数项进行降阶处理,再应用DGM对辅助变量方程和降阶后的RANS方程进行联立求解。对平板层流流动进行了数值模拟,结果表明,随着逼近多项式次数的增加,速度型和摩擦系数更加接近Blasius解。此外,还引入了Bald-win-Lomax湍流模型,对NACA0012翼型跨音速粘性流场进行了数值模拟,与实验结果进行了对比,进一步验证了算法的可靠性。

一种新型的节点间断Galerkin格式滤波器设计

使用高阶数值格式求解双曲守恒律时,在间断解附近产生的Gibbs振荡很容易导致非物理解的产生,从而使计算过程中断。文章以节点间断Galerkin格式为背景,使用广义Fourier级数这一分析工具,提出了相对振荡强度的概念,并以此作为滤波器的筛查对象;构造了新的指数型罚函数,它能够根据振荡的强弱,自动识别非物理解的广义Fourier分量并加以过滤。在这项算法的支持下,利用节点间断Galerkin格式顺利求解了Euler方程,数值模拟了超临界翼型RAE2822翼型的跨声速外流场和超燃冲压发动机的超声速内流场。结果表明,在这种新型的滤波器基础上,不仅很好地捕捉到了激波的正确位置,而且有效地抑制了激波附近的非物理振荡。