双曲守恒律方程的自适应人工粘性熵稳定格式研究

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双曲守恒律方程的数值解法作为计算流体力学研究的重要课题,是目前研究的热点之一。以熵守恒律的理论为基础加上热力学第二定律,发展起来了三种基本的熵格式:熵守恒、熵稳定以及熵相容格式。熵守恒格式具有二阶精度,在计算过程中熵是守恒的没有耗散机制,所以在间断处会产生振荡现象;熵稳定格式是在熵守恒格式的基础上,添加耗散项来抑制振荡从而达到熵稳定的效果,但耗散量的不恰当导致计算过程中会出现数值抹平现象;熵相容格式是在熵稳定格式的基础上继续添加Ismail提出的粘性项,使其满足解在跨过激波时产生的熵增达到激波强度的立方阶,从而完全消除伪振荡。其中熵相容格式对于熵的变化,估计的准确度高于另外两种熵格式,但是证明一个格式是否是熵相容格式较为复杂。鉴于此,本文退而求其次,研究在熵守恒格式的基础上,增加自适应人工粘性,从而达到高精度的熵稳定方法。本文所做的主要工作如下:  (1)将熵守恒格式和自适应人工粘性相结合构造了一种新的熵稳定格式——自适应人工粘性熵稳定格式。该格式不仅能达到熵稳定的效果,还能对数值抹平现象有所改善,更接近于精确解;人工粘性的自适应是通过弱局部剩余量WLR来达到的,对于人工粘性中的粘性系数C以及弱局部剩余量WLR的取法本文也给出了详细的说明。  (2)针对无粘 Burgers方程构造自适应人工粘性熵稳定格式,并通过数值模拟,与已有的熵守恒、熵稳定以及熵相容格式的数值结果进行对比,表明自适应人工粘性熵稳定格式在求解无粘Burgers方程时有一定的优越性。  (3)将自适应人工粘性熵稳定格式用于求解浅水波方程。数值算例部分通过与已有的三种格式的数值结果进行对比,验证了自适应人工粘性熵稳定格式具有鲁棒性、无振荡以及高精度高分辨率等特性,并且由于形式简单,易于编程实现。
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