Allen-Cahn方程的一种并行差分方法

文章给出了具有纽曼边界条件的Allen-Cahn方程的交替分段Crank-Nicolson格式.结合经典Crank-Nicolson格式和4种不同类型的Saul‘yev非对称格式构造了ASC-N并行差分格式,对ASC-N格式的唯一性进行了理论分析,并讨论了数值算法的离散最大值原理.理论分析与数值结果表明,在网格密度较大时,ASC-N并行格式相较于经典的Crank-Nicolson格式可大幅度节省计算时间,高效求解Allen-Cahn方程.

变阶Allen-Cahn方程的有限差分及收敛性分析

以泊松方程的形式表达的相场模型Allen-Cahn(AC)方程被广泛应用于图像处理、晶体生长、随机扰动等问题的研究中.为分析变阶Allen-Cahn方程的有限差分格式的收敛性,利用一个隐式的有限差分格式来对变阶AC方程进行离散,包含变阶Caputo导数的近似、二阶中心差分以及泰勒展开式的应用.根据盖尔定理和矩阵范数的性质证明了变阶Allen-Cahn方程差分格式的无条件稳定性和收敛性,并通过数值分析验证限差分格式的有效性.结果表明,通过算例的解析解和数值解之间的平面对比图,说明所采用的有限差分格式是可解且准确的.差分格式在时间、空间方向上是收敛的.

Allen-Cahn型表面活性剂浓度的两相流格子Boltzmann模型

基于相场理论,提出了含表面活性剂两相流介观格子Boltzmann(LB)模型,与经典Cahn-Hillaird型方程用于描述流体界面以及表面活性剂浓度不同,推导了Allen-Cahn(AC)型的表面活性剂浓度方程,并设计了相应的LB数值格式。该模型除了保留算法的简单性、并行性以及刻画流体组分与活性剂组分的微观相互作用外,还能准确收敛AC型宏观方程。最后利用两个算例,含表面活性剂的平板问题以及液滴问题,验证该模型准确性与稳定性。

Allen-Cahn型相场模型的移动网格方法

针对2种流体的Allen-Cahn型相场模型提出了一种自适应移动网格方法。移动网格方法包括网格重分布和偏微分方程求解2个相对独立的部分。通过求解一个类似于Poisson方程的偏微分方程组获得网格重分布,大量的网格点聚集在2种流体的界面附近从而提高了分辨率,而在其他的区域则仅有比较稀疏的网格点。Allen-Cahn模型用有限差分方法求解,其中的大型稀疏线性方程组使用代数多重网格快速算法求解。数值实验表明移动网格算法在提高分辨率和计算效率方面非常有效。

三维可压缩Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组Cauchy问题的适定性

研究了一类刻画具有扩散界面的非混相两相流模型,即可压缩Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组的Cauchy问题。在初始小扰动的条件下,通过能量估计的方法证明了三维Navier-Stokes-Allen-Cahn方程组全局强解的存在唯一性。

提花织物纹理的Allen-Cahn水平集去噪方法

针对含噪织物纹理在去噪过程中存在的形状失真和拓扑演变适应性差的问题 ,提出一种新的提花织物纹理图像去噪算法 ,并讨论了Allen Cahn方程的水平集公式 该算法结合Allen Cahn方程和水平集去噪技术 ,首先利用Allen Cahn方程生成面积保留的平均曲率运动 ;然后利用水平集公式演化纹理图像中的曲线 ,该公式可以提供简单且稳健的边缘估计和阈值策略 实验结果表明了该算法的可行性 。

一维Allen-Cahn方程有限差分方法的离散最大化原则和能量稳定性研究

研究了一维Allen-Cahn方程有限差分方法逼近.空间方向采用中心有限差分格式,而时间方向分别采用带稳定项的一阶线性隐显格式、二阶非线性校正Crank-Nicolson格式和二阶线性Leap-Frog格式.证明了数值格式的离散最大化原则和能量稳定性.

基于Allen-Cahn方程图像修复的算子分裂方法（英文）

本文提出了一种基于Allen-Cahn方程图像修复的算子分裂方法.其核心思想是利用算子分裂方法将原问题分解为一个线性方程和一个非线性方程,线性方程使用有限差分CrankNicolson格式进行离散,非线性方程利用解析方法进行求解,因此时间和空间都能达到二阶精度.由于该方法只作用于图像需要修复的区域,而其余区域的像素值与原始图像的保持一样,可以大大提高计算效率.合成图像和真实图像的数值实验验证了该算法的正确性和有效性.

一类带非局部项的Allen-Cahn方程解的存在性

从图像处理中的修复、去噪与分割等问题出发,结合两相流的数学理论,提出了一类具有非局部项的Allen-Cahn方程的初边值问题,该方程与经典的Allen-Cahn方程相比,最大的不同之处是主部含有非局部项,然后利用Schauder不动点定理得到了带非局部项的Allen-Cahn方程初边值问题解的存在性.

有限差分-谱方法求解Allen-Cahn方程的误差分析

利用一阶有限差分-谱方法求解Allen-Cahn方程u_t-Δu+1/(ε~2)f(u)=0并进行严格的误差分析,其中交面宽度ε是一个很小的参数.误差分析结果表明:若初始解u_0的正则性受ε^(-σ)控制,当时间步长δt充分小以及多项式阶数N充分大时,全离散格式的误差界也受ε^(-σ)控制.该误差分析有效改进了误差界受1/e^(ε^2)控制的结果.

重心插值配点法求解Allen-Cahn方程

利用重心插值配点法(重心Lagrange插值配点法和重心有理插值配点法)构造包含时间、空间变量的近似函数,给定Chebyshev点族;将重心插值配点法代入Allen-Cahn方程及定解条件,得到离散方程组,并采用Newton迭代格式求解方程组.数值算例表明:文中的配点法具有较高精度;利用2种配点法的能量函数满足能量递减规律.

二维Allen-Cahn方程的有限差分法/配点法求解

对二维Allen-Cahn方程中的时间方向采用有限差分法,空间方向采用重心插值配点法,非线性项采用牛顿迭代法,导出离散的线性代数方程组.最后,通过数值算例验证配点法格式的精度及能量递减规律.

求解二维Allen-Cahn方程的两种ADI格式

为了构建二维Allen-Cahn方程的高效数值格式,利用算子分裂方法将原方程离散成非线性方程和二维热传导方程,其中,非线性方程有解析解.二维热传导方程时间离散采用Crank-Nicolson格式,空间离散分别采用二阶中心差分和四阶Padé逼近,得到两个稳定的数值格式.数值实验结果表明:格式具有有效性;能量呈现递减规律.

Chebyshev谱配置方法求解Allen-Cahn方程（英文）

给出了一种求解Allen-Cahn方程的高精度的数值计算方法。在空间离散中采用具有谱精度的Chebyshev谱配置方法,得到一组非线性常微分方程组(ODEs)。时间方向上,采用紧致隐式积分因子方法。该方法结合了谱方法和紧致隐式积分因子方法的特点,具有精度高,稳定性好,储存量小以及计算时间快等优点。最后给出的数值算例验证了该方法的有效性。

利用Laplace变换求解分数阶Allen-Cahn方程

考虑Caputo型分数阶Allen-Cahn方程的高效数值算法,利用Laplace变换将其转化为整数阶Allen-Cahn方程.利用算子分裂方法进一步将其分解为热传导方程和非线性方程.其中,非线性方程精确求解,热传导方程采用二阶差分方法求解.数值实验表明了所给格式的有效性.

SAV/重心插值配点法求解Allen-Cahn方程

采用标量辅助变量(scalar auxiliary variable, SAV)方法结合重心插值配点法求解二维Allen-Cahn方程.在时间方向上分别采用Crank-Nicolson格式、二阶向后差分格式离散,空间方向上采用重心Lagrange插值配点法离散,建立了两种无条件能量稳定SAV格式,并给出了重心插值配点格式的逼近性质.数值实验表明:两种SAV配点格式的时间收敛阶为二阶,并满足能量递减规律.与空间采用有限差分法离散对比,重心Lagrange配点格式具有指数收敛的特性.

Allen-Cahn方程弱形式的勒让德配置法及基于张量积的矩阵形式

给出了Allen-Cahn方程弱形式的勒让德配置法的全离散格式,并对稳定性进行了分析.在适当的稳定性条件下,证明了给出的格式是能量稳定的.然后利用勒让德微分矩阵和Gauss-Lobatto积分的性质,全离散的勒让德配置格式被转化为矩阵方程,再利用张量积转化为线性代数方程组.

时间分数阶Allen-Cahn方程的重心插值配点法

采用Laplace变换近似Caputo型分数阶导数,将分数阶方程转换成整数阶方程;然后,在时-空方向均采用重心插值配点法离散,非线性项采用Newton迭代格式求解,并给出配点格式的相容性误差分析.数值实验表明:该配点法格式具有较高精度,能满足能量递减规律.

具有对数自由能的空间分数阶Allen-Cahn方程的数值分析

针对含有对数自由能的空间分数阶Allen-Cahn方程,提出在空间上使用二阶中心差分,时间上采用二阶Crank-Nicolson差分格式的数值方法.在此基础上,阐明其数值解在合理的时间步长的限制下是唯一可解的,且满足极大值原理与离散能量稳定性.基于极大值原理,进一步探讨相应的误差分析.

基于离散余弦变换的积分因子方法求解非线性Allen-Cahn方程

非线性Allen-Cahn方程在材料学、生物学、化学等许多科学领域有着广泛的应用,是相场模拟模型的一类重要方程,该方程描述的是二元合金在一定温度下进行相位分离的过程。首先针对齐次Neumann边界条件下的Allen-Cahn方程应用有限差分方法进行离散,将离散后得到的差分矩阵对角化,得到相应的特征值和特征向量;接着,利用Kronecker积写出二维拉普拉斯算子的微分矩阵,得到一组非线性常微分方程组;然后,发展积分因子方法进行时间离散,且在时间离散的具体实现过程中,结合快速离散余弦变换进行求解,提高了计算效率;最后,给出数值试验。数值结果显示,提出的方法能快速地得到方程的数值解,得到随时间推移数值结果形状的变化规律,该方法准确有效。