发展方程的高精度有限元方法研究
本文选题:发展方程 切入点:非协调元 出处:《郑州大学》2016年博士论文
【摘要】:本文主要针对几类发展方程(诸如非线性Schr¨odinger方程、Benjamin-BonaMahony(BBM)方程、非定常不可压缩Navier-Stokes方程、Cahn-Hilliard(CH)方程以及对流占优扩散方程),分别从非协调有限元方法、协调和非协调混合元方法出发,对其收敛性、超逼近和超收敛等进行了深入系统的研究.首先,将一个非协调四边形单元(改进类Wilson元)运用于求解非线性Schr-¨odinger方程.通过该单元相容误差在能量模意义下可以达到O(h3)阶,比其插值误差高两阶这一特殊性质,对于半离散以及两种全离散格式(Backward-Euler(B-E)和Crank-Nicolson(C-N)格式),在广义矩形网格下导出了最优误差估计和超逼近性质.进一步地,通过插值后处理技术,在矩形网格下得到了整体超收敛结果.最后给出数值算例来验证理论的正确性和方法的有效性.其次,研究了BBM方程的低阶非协调有限元方法及混合元新格式.一方面,利用EQrot1元的两个特殊性质(插值算子等价于Ritz投影算子,且相容误差为O(h2)阶,比插值误差高一阶),分别在半离散和两种全离散格式(B-E和C-N格式)下导出其能量模意义下的超逼近和整体超收敛结果.另一方面,对该方程构造一种新的非协调混合元格式,借助于零阶Raviart-Thomas(R-T)元的高精度特性,同样在半离散以及全离散格式下得到了相关变量的超逼近和超收敛结果,并给出数值例子检验理论分析的正确性.再次,针对非定常不可压缩Navier-Stokes方程提出了一个低阶非协调混合元方法.运用带约束的旋转Q1(CQrot1)元以及分片常数(Q0)元分别逼近速度u和压力p,并得到了能量模下u以及L2模下p的超逼近和超收敛结果.同时还进行了数值实验,所得数值结果与理论分析相吻合.而后,对CH方程建立一个新的非协调混合元分析框架.利用一类非协调元的特殊性质(相容误差为O(h2)阶,比插值误差高一阶)和插值后处理技术,分别在半离散和B-E全离散格式下得到了原始变量u和辅助变量p在能量模意义下的超逼近和整体超收敛结果.并给出数值例子来验证该方法的有效性.最后,针对对流占优扩散方程,构造了一个新的特征混合元格式.并给出关于原始变量u以及辅助变量p的收敛性分析,最终结合数值例子来验证此方法的有效性.
[Abstract]:In this paper, several kinds of evolution equations (such as the nonlinear Schr odinger equation Benjamin-Bona Mahony BBM) equation, the unsteady incompressible Navier-Stokes equation Cahn-Hilliardsch equation and the convection-dominated diffusion equation are studied respectively from the nonconforming finite element method, the concordant and the non-conforming mixed element method.The convergence, superapproximation and superconvergence are studied systematically.Firstly, a nonconforming quadrilateral element (modified Wilson element) is applied to solve the nonlinear odinger equation.According to the special property that the compatible error of the element can reach OH3) order in the sense of energy mode, the error is two orders higher than its interpolation error.For semi-discrete and two full discrete schemes, Backward-Eulerian B-E and Crank-Nicolsonian C-N schemes, the optimal error estimates and superapproximation properties are derived under generalized rectangular meshes.Furthermore, the global superconvergence results are obtained under rectangular meshes by interpolation postprocessing technique.Finally, numerical examples are given to verify the correctness of the theory and the validity of the method.Secondly, the low order nonconforming finite element method for BBM equation and the new mixed element scheme are studied.On the one hand, by using two special properties of EQrot1 element (interpolation operator is equivalent to Ritz projection operator, and the consistent error is OH2),The results of superapproximation and global superconvergence in the sense of energy modules are derived under semi-discrete and two kinds of full discrete schemes (B-E and C-N schemes respectively), which are higher than interpolation errors.On the other hand, a new nonconforming mixed element scheme is constructed for the equation. By virtue of the high accuracy property of the zero order Raviart-Thomas-R-T element, the superapproximation and superconvergence results of the related variables are also obtained in semi-discrete and fully discrete schemes.Numerical examples are given to verify the correctness of the theoretical analysis.Thirdly, a low order nonconforming mixed element method is proposed for unsteady incompressible Navier-Stokes equations.The velocity u and the pressure p are approximated by the rotating Q 1 C Q rot1 element and the piecewise constant Q 0) element respectively. The superapproximation and superconvergence results of u and L 2 modes under the energy mode are obtained.At the same time, numerical experiments are carried out, and the numerical results are in good agreement with the theoretical analysis.Then, a new nonconforming mixed element analysis framework is established for Ch equation.By using the special properties of a class of nonconforming elements (the compatible error is OH2, which is one order higher than the interpolation error) and the interpolation post-processing technique,The results of superapproximation and global superconvergence of the original variable u and the auxiliary variable p in the sense of energy module are obtained in semi-discrete and B-E full discrete schemes respectively.A numerical example is given to verify the effectiveness of the method.Finally, a new characteristic mixed element scheme is constructed for convection-dominated diffusion equations.The convergence analysis of the original variable u and the auxiliary variable p is given. Finally, numerical examples are used to verify the validity of the method.
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O241.82
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 何文明,崔俊芝,张燕;关于矩形元的超收敛性[J];湘潭大学自然科学学报;2000年04期
2 张铁;导数小片插值恢复技术与超收敛性[J];计算数学;2001年01期
3 冷向;不完全三次非协调三角膜元的超收敛分析[J];山东工程学院学报;2001年03期
4 陈传淼;矩形奇妙族有限元的超收敛性[J];中国科学(A辑);2002年07期
5 赵庆华,朱起定;有限元的u-强超收敛点[J];计算数学;2004年03期
6 朱起定,赵庆华;有限元超收敛新论(英文)[J];数学进展;2004年04期
7 姜子文,王述香;粘弹性方程的有限元超收敛结果[J];科学技术与工程;2005年16期
8 许艳;王仁宏;许志强;;一类超收敛数值差商公式研究[J];计算数学;2007年01期
9 赵庆华;;一种积分形式的流量重构算法的超收敛性[J];湖南大学学报(自然科学版);2008年06期
10 刘经洪;孙海娜;朱起定;;三三次长方体有限元的超收敛[J];中国科学(A辑:数学);2009年05期
相关会议论文 前3条
1 王东东;;结构振动分析的超收敛等几何方法[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
2 袁驷;王枚;林永静;袁征;;有限元(线)法超收敛应力计算的新思路[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2002年
3 肖嘉;叶康生;袁驷;;线法二阶方程组有限元求解的EEP超收敛算法[A];第六届全国土木工程研究生学术论坛论文集[C];2008年
相关博士学位论文 前10条
1 吴超;Maxwell方程棱元超收敛研究[D];湘潭大学;2015年
2 廖歆;发展方程的高精度有限元方法研究[D];郑州大学;2016年
3 孟令雄;有限元超收敛后处理技术[D];湖南师范大学;2006年
4 许传云;一维映射中的超收敛分岔与普适性研究[D];云南大学;2014年
5 魏华yN;界面问题和Laplace-Beltrami问题中的有限元超收敛及网格生成优化研究[D];湘潭大学;2012年
6 熊之光;插值系数有限元法的超收敛性[D];湖南师范大学;2004年
7 唐义军;基于改进位移模式的有限元超收敛算法研究[D];湖南大学;2013年
8 魏继东;有限元最佳超收敛后处理技术[D];湖南师范大学;2009年
9 裴丽芳;非协调有限元方法新模式及超收敛研究[D];郑州大学;2014年
10 秦衡峰;基于CVT网格的有限元超收敛及其在自适应有限元方法中的应用[D];湘潭大学;2008年
相关硕士学位论文 前10条
1 王斌;腔体电磁散射TM模型的梯度恢复和超收敛分析[D];郑州大学;2015年
2 蔡惠;直边含简支的环扇形薄板弯曲问题的哈密顿方法与有限元法[D];温州大学;2015年
3 曾强;杆件自由振动有限元新型超收敛算法研究[D];清华大学;2015年
4 张}液,
本文编号:1722642
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/1722642.html