分数微分对流-弥散方程反问题研究

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分数微分对流-弥散方程(简称FADE)是研究多孔介质中溶质运移的非费克反常扩散行为的基本模型。本文主要探讨空间FADE模型中若干参数的反演问题,包括FADE正问题的数值求解、FADE模型参数与源项的数值反演算法等。  文中首先简要回顾了分数阶微积分的几种定义,探讨了分数阶导数的性质,并与整数阶导数的性质进行了比较。同时,基于Levy运动定律给出了一般的FADE模型。  第三章讨论了FADE模型正问题的求解。通过使用改进的Grunwald公式对分数阶导数进行数值离散,给出了有限区域上Dirichlet边值条件下空间FADE的差分格式,并分析了稳定性和收敛性,给出了数值算例。最后讨论了分数微分阶数对正问题解的影响,数值结果表明分数微分阶数趋近于2时,解误差相对较小。  第四章着重探讨分数微分对流-弥散方程的参数反演问题。给出了参数反演的最佳摄动量正则化算法,并对分数微分阶数、弥散系数、平均流速及源项等参数分别进行了数值反演模拟。在最佳摄动量算法的基础上,提出同伦正则化算法应用于模型参数和源项的同时反演,给出了数值算例。文中还针对影响最佳摄动量算法实施的因素,讨论了分数微分阶数、数值微分步长、正则参数、同伦参数以及初始迭代点的选取等对反演结果的影响。数值结果表明文中所应用的算法至少对于FADE第一边值问题的参数反演是有效的。  第五章总结了本文的主要工作,同时对FADE反问题的后续研究进行了展望。
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