自然对流问题稳定化全离散格式有限元方法

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本文主要研究应力和应变满足线性关系的不可压缩自然对流问题,该问题也叫做热传导对流问题。它比大家熟知的不可压 Navier-Stokes方程多了一个未知变量温度场,这个温度场变量与速度变量和压力变量之间存在耦合的非线性关系。自然对流问题在日常生活和工业生产中有很多应用,例如室内通风,双层玻璃窗设计等,特别是在海洋动力学和大气动力学中。本文用全离散稳定化有限元方法对非定常自然对流问题进行了研究,即空间方向上用稳定化有限元方法,时间方向上分别采用了BDF2(两步向后差分格式:two-step backward differentiation formula)和C-N(Crank-Nicolson)有限差分格式离散,并对数值格式进行了稳定性和收敛性分析。  本研究分为五个部分:第一章介绍了自然对流问题的研究意义、国内外研究现状以及本论文所做的工作。第二章是预备知识,主要给出了自然对流问题的具体形式,函数空间,有限元剖分离散,以及一些常用不等式和引理。第三章基于稳定化有限元全离散格式给出BDF2线性外插格式,即时间导数项用两步向后有限差分格式逼近,对流项采用线性外插格式;空间上用两点高斯积分稳定化有限元离散。证明了该格式的无条件稳定性,并对其进行了误差分析,得到了速度和温度的H1范数,压力的L2范数的最优误差估计。最后进行数值试验,求得的有限元数值误差和相应的收敛率,并且与已有文献结论进行比较,得到了相吻合的结论。即数值算例验证了理论分析结论。第四章基于变分多尺度后处理稳定化有限元空间离散和Crank-Nicolson有限差分时间离散格式,对自然对流问题进行了全离散研究。证明了该全离散格式是无条件稳定的。当时间步长Δt充分小且Δt=Ch时,得到了速度和温度的H1范数的最优误差估计。最后通过数值算例,验证了理论分析结论。第五章对本文所提出的两种全离散稳定化有限元方法进行了总结,并对今后的研究工作进行了展望。
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