运用起泡法求解强对流扩散问题的收敛性分析

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lvsby2008
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我们知道,运用标准的Galerkin方法求解方程-ε△u+a·▽u=f,当ε《h·|a|时,所得到的近似解将出现振荡。为得到稳定的解,除了FEM、SUPG等方法外,近年来又出现了起泡法。同样的,为得到抛物方程ut-ε△u+a·▽u=∫当ε《h·|a|时的近似解,本文运用起泡法的思想对其空间离散,而在时间上运用常见的Euler-Galerkin向后差分法,在此基础上进行了对耦合方法的先验估计,并在文末说明了将此方法进一步拓展的可能性。 全文共分四章. 第一章通过蕴育起泡法产生的多尺度问题: {Lu=-ε△u+a·▽u=finΩu=0onaΩ. 引入了起泡法的概念,并进一步阐明其指导思想.给出了部分后文证明中需要用到的方程与函数,同时叙述了起泡法的发展概况及本文的进展. 本章共分二节. 第一节在方程Lu=finΩu=0on()Ω. (1.1.1)的基础上,说明了由于假设ε《|a|·diamΩ,(1.1.1)实际上是一个多尺度问题.指出若用标准的Galerkin方法求解,将会发现因边界层引发的近似解波动将会影响到整个区域Ω,而原方程的精确解并不存在这种波动. 进而给出作为解决方案的起泡法,其思想是通过在每个小剖分单元T上引入,T内非0,()T和T外衡为0的泡函数,从而解空间扩展为:Vh=VL+VN(1.1.3) 这样,(1.1.1)的离散问题可以表示为:{finduh=uL+uB,s.t.ε∫Ω▽uh▽vhdx+∫Ω(a·▽uh)vhdx=∫Ωfvhdx(A)vh∈Vh. (1.1.4)并指出由于泡函数的特殊性,可通过推导,将离散问题转化为:{finduB∈VB,s.t.ε∫T▽uB·▽vTBdx+∫T(a·▽uB)vTBdx=(f-a·▽uL)|T∫TuTBdx(A)TB∈VB. (1.1.6)转而通过求解满足: {-ε△bT1+a·▽bT1=1inT,bT1=0else. (1.1.7)的解bT1∈VB便可节省运算量. 第二节介绍了起泡法的发展现状,并指出在前人对椭圆问题研究的基础上,本文主要的工作是将起泡法推广到抛物问题中,并对此推广给予误差的先验估计. 第二章在提出所要研究抛物问题的基础上,给予必要的符号说明,及其离散方程. 本章共分两节. 第一节给出所要研究的抛物方程: {ut-ε△u+a·▽u=f,x∈Ωt∈[0,TE],u(x.t)=0,x∈()Ωt∈[0,TE],u(x,0)=v,x∈Ω. (2.1.1)及其参数含义,并给出了下文中经常出现的符号定义. 值得一提的是,由于起泡法的解空间不同于一般的P1元,不妨给出定义1拟椭圆投影PB: (▽PBu,▽x)=(▽u,▽x)()X∈Vh. 以示区别. 第二节分别给出了半离散方程: {N∑j=1α′h(t)(φj,φk)+n∑j=1αj(t)(ε▽φj,▽φk)+n∑j=1αJ(t)(a·▽φj,φk)=(f,φk),k=1,2,…,N+1,αj(0)=γj,j=1,2,…,N+1. (2.2.3)和全离散方程:{NΣj=1αnj-αnj-1/τ(φj,φk)+NΣj=1αnj(ε▽φj,▽φk)n=1,2,…,N,+n∑αj=1αnj(a·▽φj,φk)=(f,φk),k=1,2,…,N+1,α0j=γj,j=1,2,…,N+1. (2.2.6)并给出了相应的矩阵形式:Aα′(t)+(εB+C)α(t)=~ft≥0,α(0)=γ.(2.2.4) (A+τεB+τC)αn=Aαn-1+τ~f(tn).(2.2.7) 第三章通过三个引理和五个定理,给出了本文方法的收敛性分析本章共分两节. 第一节首先给出了一个注解由于diva=0,所以有(a·▽vh,vh)=-(vh,a·▽vh)=-(a·▽vh,vh)(→)(a·▽h,vh)=0()vh∈VL. 指出一个下文中常要用到的技巧.并给出两个定义: 定义2对于剖分单元T内任意一点x,若单元边界-T上点xa满足:|a·(x-xa)|=‖a‖‖x-xa‖且a·(x-xa)≥0,则称xa为x的迎风前端. 定义3令haT=maxx∈-Ta·(x-xa)/|a|2~hT=1/|T|∫TbT1dxh*T=∫T(bT1)2dx/∫tbT1dx 再以两个引理说明其性质: 引理1对于任意取定的ε,对于每个剖分T,其内任意一点x,与它的迎风前端xa间成立如下关系: 0≤bT1≤a·(x-xa)/|a|2 引理2假设剖分所得的任意三角形中,最小角的度数都大于正常值θ0>0. 则存在不依赖T之选取的正常数C,满足关系: ~hT≥ChT/|a|min{hT|a|/ε,1}. 接着以三个定理的形式给出椭圆问题的误差估计: 定理1假设uh为(1.1.4)的解,~u,eL的定义分别参见(3.1.10)(3.1.14),则有如下估计式: ε1/2||▽e||0.Ω=(ε‖▽eL||20.Ω+∑T~hT||a·▽eL||20.T)1/2.(3.1.16) 定理2假设uh为(1.1.4)的解,~u,eL,γT的定义分别参见(3.1.10)(3.1.14)(3.1.17),且假设精确解u∈Hs(Ω)∩H10(Ω),则有: ε‖▽e||20,Ω≤C∑TγTh2sT-1|u|2s,T(3.1.21) ε‖▽eL||20,Ω+∑T~hT||a·▽eL||20,T≤C∑TγTh2s-1T|u|2s.t.(3.1.22) 其中常数C只依赖于Th中三角形的最小顶角度数θ0. 定理3假设uh为(1.1.4)的解,~u,eL,γT的定义分别参见(3.1.10)(3.1.14)(3.1.17),且假设精确解u∈Hs(Ω)∩H10(Ω),则有: ε1/2||▽(u-uh)||0,Ω≤(C∑TγTh2s-1T|u|2s.TT)1/2,(3.1.23) (ε||▽(u-uL)||20,Ω+∑T~hT||a·▽(u-uL)||20,T)1/2≤(C∑γTh2s-1T|u|2s,T)1/2.(3.1.24) 其中常数C只依赖于Th中三角形的最小顶角度数θ0. 第二节为得到对应抛物问题的误差估计,首先通过: 引理3假设u∈Hs(Ω)∩H10(Ω),其中1≤s≤r,则对于任意的x∈Vh存在如下关系: infX∈Vhε1/2{||PEv-X||+hT||▽(PEv--X)||}≤C1(C∑TγTh2s+1T|u|2s,T)1/2≤Chs+1/2T||u||s(3.2.2) 给出一个适应抛物问题先验估计的,空间Vh相对于Sobolev空间的逼近关系.在此基础上给出了半离散问题的误差估计: 定理4假设un和u分别是(2.2.2)和(2.1.1)的解,则有如下误差估计式:‖uh-u(t)‖≤‖vh-u‖+Chr+1/2Tε-1/2{‖v‖+∫t0t‖ut||rds},t≥0.(3.2.8) 由此最终得到了全离散问题的误差估计: 定理5假设Un和u分别是(2.2.5)和(2.1.1)的解,则有如下误差估计式: ‖Un-u(tn)‖≤‖vh-v‖+Chr+1/2Tε-1/2{‖v‖r+∫tn0‖ut‖rds}+K∫tn0‖utt‖ds,n≥0. (3.2.1)其中常数C只依赖于Th中三角形的最小顶角度数θ0,而常数K为时间的运用Euler-Galerkin向后差分法的步长. 第四章对收敛结果和可能的新拓展进行了探讨.
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