有限元方法讲义
对(7)关于求导得到 (8)
则利用椭圆问题有限体积元的结论可得(注意) (9)
(10) 分解误差: 的估计已知,只须估计。由方程(5)-(7)可知, 满足 取,利用引理1-2得到 由(4)式和引理2知 ,则从上式得到 或 则利用三角不等式和(10)式得到
第3讲、一阶线性双曲方程的差分方法
1、 一阶双曲问题
(9) 如果对三个参数都是单调递增的,则称差分格式(9)是单调差分 格式。 单调差分格式是L1-TVD的,且满足极值原理: 将一般的差分格式改写为
(10) 定理1 如果差分格式(10)的系数满足
(11) 则差分格式为单调的;如果满足
(12) 则差分格式是TVD的。
证明:第一个结论是显然的,将(10)写为 则可有(注意) 利用(12)式得到
(4) 其中称为数值通量,要求满足
(5) 称(5)为相容性条件。
3、 相容性与守恒性
当差分方程(4)满足相容性条件(5)时,它与微分方程是相容。 事实上,对任何光滑函数和,利用泰勒展开得到(记) 则(4)式为 或者写为 令,即知差分方程逼近于微分方程。
称差分方程为守恒型,如果
(6) 对相容的差分格式(4),如果,当时,则它为守恒型的。事实上,利 用相容性条件知 对(4)式求和,即知(6)式成立。
(18)
3、抛物问题全离散有限元近似
剖分时间区间:。 引进差分算子: 规定,当为连续函数时,,则有 由此得到 (19) (20) 定义问题(11)的全离散向后Euler有限元近似:求,使满足 (21) 将 代入(21)可导出全离散方程组 (22)
其中。 系数矩阵是对称正定的。可逐层求解。 误差分析。令。为的有限元椭圆投影,只须估计。由方程(11)知
(14) 证明:在(12)中取得到 整理为(注意是正定的) 对此式积分,证毕。 误差分析。引进解的椭圆投影逼近:满足
(15) 根据椭圆问题的有限元结果可知
(16) 分解误差: 的估计由(16)式给出,只须估计。 由(11),(12)和(15)知,满足 取,类似稳定性论证可得
(17) 可取为的投影,插值逼近等。 由(17)式,三角不等式和(16),得到
满足 (23)
。则利用,从(23)和(21)得到满足 取得到 或写为 写 对上式求和且利用(19)式得 利用椭圆投影的逼近性质得到 再利用三角不等式即得全离散误差估计 (24)
全离散向后Euler格式关于时间方向只有一阶精度。 二阶精度的Crank-Nicolson格式:求使满足 (25) 其中 。 方程(25)的矩阵方程形式为 处,从方程(11)知,精确解满足 。则椭圆投影满足 分解误差:。从(25)式得到 (26) 在(26)中取,注意
抛物问题(5)的有限体积元近似为:求 使满足 (6)
其中双线性形式如椭圆问题。 引理2 下述结论成立 i)
ii) 是上与等价的范数。 由引理2可知,导出的质量矩阵是对称正定的,则常微分方程组 (6) 唯一可解。由引理1也知道由导出的刚度矩阵也是对称正定的,这可保 证全离散格式的唯一可解。
误差分析 设为问题(6)的解,引进的有限体积元投影:满足 (7)
(14) 现考虑半离散方程(13)的求解。利用基函数可将(13)写成常微
分方程组形式:
(15) 初值由确定,一般由的投影确定。对常微分方程组(15)可采用k阶显 式Roung-Kutta方法离散,由时间方向逐层求解。
例如,可采用如下R-K算法: 1. 2.对计算
3. 为了保持非线性稳定性,避免非物理振荡,通常还要采用坡度限制 器(slope limiting)算子进行处理,即在上述步2中,令
4 双线性形式
由,则定义与相应双线性形式:
5 问题的有限体积元近似
求使 (1)
由于,则(1)等价于
则有误差方程 (2)
6 插值算子的性质
i) ii) (3) iii) (4) 守恒性质: 在(1)中取,得到
7 解的存在唯一性
引理1 设,则 证明:利用Green公式和(3)式,注意为常数,得到
定理1 有限体积元解唯一存在,且满足 证明:由引理1,方程(1)和(4)式知 满足
(2) (3) (4) 稳定性分析 采用Fourier方法,令,为参数。记网比。将表示代入 (2)-(4),可分别导出增长因子: 则 则在条件下,当时,采用格式(2),当时,采用格式(3)。格式 (4)是不稳定的。(2)和(3)称为迎风差分格式,可统一写为: 其中。迎风差分格式(2)-(3)是依据特征线走向取值的,网比条件或 (特征线的斜率)是为了保证差分解的依赖域包含精确解的依赖域,见 下图。
CFL条件的一个离散形式为 定义 , 变差 若差分解满足
(8) 则称差分解是TVD的(总变差衰减)。
TVD格式通常保持差分解的单调性,且为高分辨格式。 上述例中的三个格式在CFL条件下都是守恒型TVD格式。但都为一 阶精度,如何构造高精度的TVD 是一个难点。高精度是指在解的光滑 区域上。 将守恒型差分格式写为
2、 间断性质(激波)
当有间断时,随着的发展,保持间断,若函数值间断,称为强间 断,若连续,但导数间断,称为弱间断。
例1 强间断,给定初值 解见图1。
图1 强间断解 例2 弱间断,给定初值 解见图2。
图2 弱间断解
3、 差分格式
在方向和时间方向进行剖分,剖分节点: 为剖分步长。 可对方程(1)构造如下三种差分格式
(9) 这是全离散间断有限元格式,可从左至右逐单元求解(对固定),时间 方向逐层求解。
2、 非线性守恒律问题
(10)
对方程(10)积分得到 (11)
类似线性情形,在间断点处,需特殊定义的值,记作,称为数值通量函 数,要求是相容的,即
(12) 在(11)式中用代替,代替,则得到间断有限元格式:求使满足
, 为坡度限制器算子 对多维问题或方程组情形,间断有限元方法更复杂,最优收敛阶,超 收敛,后处理等研究都还不完善。
第六讲 对流占优问题的特征差分和有限元
(4) 引进单元上的基函数空间:
(5) 则为的直交和。可在(4)中令。在单元上,令,将代入(4)并依次 取,可得到 可将离散方程(6)整理为矩阵方程形式:
(7) 其中为阶矩阵,元素分别为
例 设为分片常数空间,每个单元只有一个基函数,则方程(7) 为
(8) 对t离散后,这是迎风差分格式,由边值确定。
对方程(7)可进一步进行时间离散,例如,采用一阶向后差商,得 到
(27) 则在(26)中取 得到 求和,且利用(20),(27)和椭圆投影的逼近性质,得到 再利用三角不等式,得Crank-Nicolson格式的误差估计:
(28)
第2讲 有限体积元方法
1、 椭圆问题
考虑椭圆边值问题:
设为凸多边形区域。当时,唯一存在,且满足 。
1 剖分与对偶剖分
设是的一个正则三角剖分,是所有剖分节点集合,是内节 点集合,对每一个做包含的有限体积(见图1)
2、抛物问题半离散有限元方法
考虑抛物型方程初边值问题:
(10) (10)的变分形式:求 使满足
(11) (11)的半离散有限元近似:求 使满足
(12) 令,代入(12),依次取可导出常微分方程组:
(13) 其中为质量矩阵,K为刚度矩阵。。 求解常微分方程组(13),得到代回的表达式,即得半离散有限元解。 定理1. 问题(12)的解唯一存在且满足稳定性估计:
求和得到 上述三种差分格式在CFL条件下都是单调的TVD格式。
第5讲 一阶双曲方程间断有限元方法
1、 一维线性问题
(1) 特征方向:,特征方程,特征曲线。对问题(1)可以考虑纯初值问 题,也可以考虑初边值问题,但边值条件要根据特征走向给定。
这里考虑初边值问题:。假设,在左边界给定边值条件:。 空间剖分:取定剖分步长,剖分节点,半节点 ,单元。
4、 几个典型的差分格式
例1 Lax-Friedrichs格式 可改写为守恒型:
例2 迎风格式(注意) 可改写为守恒型格式
例3 Engquist-Osher格式
5、 稳定性
方程(1)可写为: 那么线性方程稳定性准则:,可转化为
CFL条件 (7) 但对非线性方程,CFL条件只是稳定性的必要条件,并不充分。一般还 得对差分格式附加其它要求才能保证非线性稳定性。
定义分段次多项式构成的间断有限元空间: (2)
中函数可以是不连续的。用与(1)做上的内积,得到: (3)
对于间断点上的取值,恒取为在单元内侧的极限值,即(左极限)(右 极限)。对于方程解,由连续性知,则一般根据特征走向取值。因,则 取迎风值。离散方程(3)现在变为 这是精确解满足的变分方程,在其中用代替,则得到方程(1)的间断 有限元近似:求使满足
格式(4)是不稳定的,可以改造为:
(5)
称为Lax-Friedrichs格式,稳定性条件为。
上述格式都是一阶的,一个二阶格式是Lax-Wendroff格式:
(6)
可以看作是对原方程的粘性近似方程:
的逼近,称为粘性差分格式,右端项称为人工粘性项。稳定性条件是。
事实上,迎风格式和LF格式都可以看作为粘性差分格式,它们可分
问题(2)的有限元近似:求使满足
(3) (3)的解唯一存在,且满足。 (3)的解所满足的矩阵方程(离散方程组)形式:
(4) 刚度矩阵的由单元刚度矩阵组装而成。 模误差分析:由(2)-(3)可得
(5) 由(5)可首先得到 则得到
(6)
-模误差分析
设 满足 用与此方程做内积,由(5)式和插值逼近性质得到 再利用模误差估计结果,得到 (7) 最优阶误差估计和超收敛估计概念。 当与时间相关时(为抛物问题准备),由(5)式得 (8) 利用(7),类似分析可得 (9)
(2) 满足(2)式的弱解存在也不一定唯一。如果在间断线上,弱解还满足 熵条件:
(3) 则称其为可容许解或物理解,物理解是唯一的。(1)的解通常存在间 断(激波),可以是强间断或弱间断。