浅水方程组合型超紧致差分格式

提出一族组合型超紧致差分格式(CSCD),对CSCD的数值特性作了分析,并同其他中心型差分格式进行比较。从定性角度,得出同阶中心差分格式中,CSCD格式的截断误差系数最小的结论。从定量角度,利用Fou-rier分析方法分析了CSCD格式的分辨率,并同其他中心型差分格式比较,得出CSCD格式有较高的分辨率的结论。把10阶CSCD格式应用于KdV-Burgers方程和浅水方程的数值模拟,给出两个应用算例。数值实验表明CSCD格式不仅有理论上的高精度,而且有良好的稳定性和收敛性。

一类高阶CCD有限差分格式

应用Hermitian插值法给出一类三点式联合紧致的有限差分格式(CCD Scheme),对边界条件加以讨论,得到8阶精度的数值结果。

自由液面水流与固体构筑物作用的高精度数值模拟

采用界面保持水平集法捕捉自由液面,结合浸入边界法处理固液交界面的方式,开展自由液面水流经过固定障碍物的复杂流场模拟.在计算过程中,将障碍物对水流的影响用虚拟力的形式加入到流场求解中.求解水平集函数时,使用迎风紧致差分格式,以得到高精度的解.为了确保界面始终处于一个非常薄的厚度,在每个计算步长中对水平集函数进行重距离化处理,利用投影法求解Navier-Stokes方程中的压力项.通过将模型应用于计算带障碍物的典型溃坝问题,包括底床上的矩形和工程中常见的悬空支撑圆形障碍物,得到的数值结果与实验数据吻合较好,验证了该算法的准确性和稳定性.

二维地震波场的五点八阶超紧致有限差分数值模拟

首先将迎风机制引入五点八阶超紧致有限差分(CCD8)格式,得到五点七阶迎风超紧致(UCCD7)格式,并对两种格式进行数值频散分析和精度分析;其次建立了二阶声波方程的位移场时间四阶离散格式,将五点CCD8格式和五点UCCD7格式分别应用于位移场空间导数的求取,并分析这两种格式的稳定性条件;最后基于PML边界条件,将上述两种格式分别应用于声波方程的均匀介质、水平层状介质及Marmousi模型的数值模拟和波场特征分析及对比。研究结果表明:相较于普通紧致差分,五点CCD8格式具有小截断误差、高模拟精度、低数值频散、高稳定性、所需网格点数少的优点;引入迎风机制后,声波方程的五点UCCD7格式稳定性得到进一步提高;模型试算的结果验证了五点CCD8格式适用于复杂介质的数值模拟,模拟精度和计算效率都高。

二维黏弹介质五点八阶超紧致有限差分声波方程数值模拟

首次将五点八阶超紧致有限差分格式(CCD8)用于黏弹介质声波方程的数值模拟中,并对该格式进行了频散分析和精度分析,与普通紧致差分格式进行比较。随后,根据泰勒级数展开黏滞声波方程,建立了位移场时间二阶离散格式,将CCD8用于对位移场空间导数的求取,且对CCD8格式进行稳定性研究。最后将CCD8格式运用于均匀介质模型以及水平层状介质模型以及Marmousi模型的数值模拟和波场特征分析及对比中。研究结果表明:①CCD8与CD8相比,具有更小的截断误差、更高的模拟精度以及低数值频散的优点;②CCD8具有较高稳定性;③采用完全匹配层(perfectly matched layer,PML)对人工边界进行处理后对均匀介质、水平层状介质以及Marmousi模型进行黏滞声波方程的数值模拟,发现模拟效果不错,从而验证了CCD8的实用性和有效性性。

分层环境中异重流运动问题的直接数值模拟

为了研究线性分层环境下的开闸式异重流运动过程的问题,采用改进的高精度直接数值模拟(DNS)模型,在正交坐标系下,以DNS为基本求解器,实现物质运输方程和Navier-Stokes方程同步求解.采用距离函数平滑初始状态的不连续运输方程,利用具有六阶精度的迎风紧致差分格式(UCCD)改进原模型,更准确地求解物质输运方程.通过求解一维对流方程和入侵重力流的模拟结果验证了模型的可靠性.开展泥沙异重流与线性分层环境掺混过程的研究,并获得了高精度数值结果,可以更好地捕捉中间入侵的异重流产生的内波效果.结果表明:该模型不仅可以准确模拟入侵异重流卷吸分层环境水体的过程,还可以准确模拟头部运动位置、异重流卷吸沉降以及能量转换等问题.

一类二维抛物方程反问题的CCD-ADI方法

许多工程问题可通过带有未知参数的抛物方程求解.因此,发展高精度数值方法求解这类反问题非常重要.本文提出一种交替方向隐格式(ADI)的三层线性化组合紧致差分(CCD)格式求解带控制参数的二维非定常反应扩散方程.该方法在时间上达到二阶精度,空间上达到六阶精度.在每个ADI迭代步,只需求解一个块三对角系统,可通过块Thomas算法快速求解.此外,我们严格证明在周期性边界条件下,CCD-ADI方法解的存在性和唯一性.最后,通过与已有空间四阶方法对比,用数值算例验证新方法的无条件稳定性、精度与效率.

二维Helmholtz方程的联合紧致差分离散方程组的预处理方法

对于二维的Helmholtz方程,本文用联合紧致差分格式(CCD)离散,该差分格式具有六阶精度,三点差分和隐式的特点.本文基于CCD格式离散得到的线性系统和循环矩阵的快速傅里叶变换,提出了一种循环型预处理算子用于广义极小残量迭代算法(GMRES).给出了循环型预处理子的求解算法,证明了该预处理算子能使迭代算法具有较快的收敛速度.本文还与其他算法的预处理算子作比较,数值结果表明本文提出的循环型预处理算子具有更好的稳定性,并且对于较大的波数k,收敛速度也更快.