基于坏单元指示子的自适应Runge-Kutta间断Galerkin有限元方法

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求解双曲守恒律方程的Runge-Kutta间断Galerkin(RKDG)方法具有精度高、易于处理复杂计算区域和边界条件、并行效率高、易于进行hp自适应等优点。这些优点让RKDG方法迅速发展成为计算流体力学的主流方法之一,并已推广应用到了更多的领域。非线性双曲守恒律的解一般都含有间断,多维时解的结构更是非常复杂,这使得研究自适应的RKDG方法成为必要。而目前这方面的研究还相对较少,所以本文选取它作为研究内容。  为了使RKDG方法稳定,必须加入非线性的限制器。限制器的做法有很多种,本文采用一种“坏单元指示子”配合数值解重构的做法。坏单元是指限制器需要发挥作用的单元,也就是含有间断的单元。我们利用坏单元指示子找出解间断的位置来设计自适应算法,以达到精确捕捉间断,提高数值解质量并节省计算时间的目的。  本文比较系统地研究了基于坏单元指示子的自适应RKDG方法。我们利用坏单元指示子设计了几个新的自适应算法,用经典的数值算例测试了它们的效果,并重点比较了各种不同坏单元指示子在算法中的表现,以得到用于自适应的最优的指示子。  通过对坏单元进行加密,对成对的“好单元”进行合并,我们设计了一类求解一维双曲守恒律方程的h自适应RKDG算法,从数值上验证了这个算法的收敛性和高效性,并比较了各种坏单元指示子在这个算法中的表现,得到了对此算法最优的坏单元指示子。我们又将此算法推广到了二维情形,用来求解二维双曲守恒律方程。维度的增加使推广过程遇到了很多数值实现上的困难,我们详细分析了这些困难并给出了相应的解决方案。数值试验结果令人满意。我们还将这个算法应用到了一维和二维Hamilton-Jacobi方程上,给出了求解此方程的使用坏单元指示子的h自适应RKDG算法,并使用一些算例测试了算法的数值效果。  另外,我们设计了一个求解一维双曲守恒律方程的r自适应RKDG算法。其思想是先用坏单元指示子标记坏单元,然后移动坏单元和“大单元”及它们附近的单元,使单元向间断附近聚拢。我们同样比较了不同的坏单元指示子在算法中的表现,找到了对此算法相对最优的坏单元指示子。数值试验也表明了这个算法可以精确捕捉间断和节省计算时间。
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