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Navier-Stokes(N-S)方程是一类描述流体流动的基本数学物理方程,在计算流体力学(CFD)中具有相当重要的作用和意义,它可以用来描述很多物理现象,甚至包括工业应用中的经济领域问题。因此从上个世纪六十年代开始,对不可压N-S方程理论和有限元求解的研究,得到了数学家、科学家和工程师们的广泛关注。
如何选择稳定化方法来处理不可压N-S方程中的非线性对流项是求解此方程的一个重要问题。在众多的解决方法中,带参数的迎风有限元格式具有简单易行、精度较高的优点。
随着并行计算机的发展,一类被称为区域分解算法的偏微分方程数值解的新技术骤然崛起,并愈来愈受到人们重视。总体来说,有两大类区域分解算法,一类是重叠型区域分解法,即通常所指的Schwarz交替法;另一类为非重叠型区域分解法。主要的区别在于将原有区域分解为重叠的还是非重叠的子区域。在本文中,我们主要考虑非重叠型区域分解法。这类方法对于求解线性偏微分方程已有了广泛的研究,但对于非线性偏微分方程的研究还相对较少。
本文对粘性不可压N-S方程的数值解法进行了研究。对N-S方程中的非线性对流项采用迎风有限元格式的稳定化方法,并且给出了此格式的Dirichlet-Neumann交替区域分解算法,对此算法给出了收敛性分析,并以此为基础给出了迎风有限元格式的其他两种非重叠型区域分解算法,最后通过数值算例验证了算法的有效性。
本文主要工作如下:
首先,给出了N-S方程带参数的迎风有限元格式以及此格式的D-N交替区域分解算法,并证明了此算法格式与原迎风有限元格式的等价性。
其次,通过六个引理的证明对所给的N-S方程迎风有限元格式的D-N交替区域分解算法进行了收敛性分析,给出了严格的证明。
最后,给出了其他两种N-S方程迎风有限元格式的非重叠型区域分解算法,并通过数值算例验证了算法的有效性。