0 引 言
Bateman在1915年研究黏性流体中非线性波的传播与耗散机制时,特别关注激波在黏性系数趋近于0时的演化行为
[1 ] ,首次推导出一个描述此类现象的偏微分方程.1948年,Burgers将其作为湍流模型进行系统分析与推广
[2 ] ,因其在流体力学领域的杰出贡献,该方程以他的名字命名.关于Burgers方程数学理论的研究,已有多项成果,如Hopf和Cole引入一种变换,后来被称为Hopf-Cole变换
[3 ‒4 ] ,将Burgers方程转换成线性热方程,从而可以求解带有任意初值问题的Burgers方程.
许多学者研究了Burgers方程的数值方法.对于无黏的Burgers方程,Yang等研究了TVD和FCT方法,以及MUSCL、ENO和PPM等几何方法
[5 ] .Mittal等提出了一种时间方向上采用Crank-Nicolson格式、空间方向上采用三次B样条函数方法,用于求解耦合黏性Burgers方程
[6 ] .需要注意的是,上述数值研究主要集中在低阶方法的构造分析,但时间和空间的阶数可能不匹配.为了设计一个更高阶的时空逼近方法,空间高阶插值和时间演化的校正方法可能是合适的选择.一般来说,空间上全局的更高阶插值将导致离散系统的模板扩展或带宽增加.此外,更高阶的时间插值需要提供许多预定义的值,时间演化的校正方法通常需要求解一系列低阶格式以获得更高阶的校正解.
基于上述分析,本文围绕LDG方法并结合Minion提出的半隐式SDC方法
[7 ] ,设计了时空高阶演化方法.核心思想是通过选取合适的单元交界面数值通量,结合LDG方法的空间局部性质及SDC方法的时间低阶格式多次校正,最终达到时空高阶精度,从而有效避免直接构造时间多步高阶格式的复杂性,同时每一时间层只需逐单元求解规模极低的离散代数方程组.本文对空间半离散LDG方法的稳定性和最优误差估计进行证明,进一步分析全离散方法的稳定性.
1 一维黏性Burgers 方程的LDG 变分问题
为简化叙述,以一维黏性Burgers方程为例,相关算法和理论可以扩展到高维和复杂情形
[8 ] .
1.1 控制方程
假设一维区域( a , b ) 是有界的,考虑如下右端齐次黏性Burgers方程
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x - ∂ 2 u ∂ x 2 = 0 , ∀ x , t ∈ a , b × 0 , T ,(1)
式中:未知变量u ( t ) = u ( x , t ) ;补充周期边界条件和初始条件u ( x , 0 ) = u 0 ( x ) ,这里周期边界条件的要求不是本质的.下文中,符号c 或c j ( j = 0 , 1 , … ) 用于表示正常数,其依赖于区域( a , b ) 、Sobolev不等式等,在不同的位置可能取值不同.
1.2 LDG 变分问题
下面给出方程(1)基于空间LDG方法的变分问题.首先,考虑任意有界区域I ,记H m ( I ) , m = 0 , 1 , 2 , … ,是标准的Sobolev空间,并赋予通常的范数· m , I .当m = 0 时,定义L 2 ( I ) = H 0 ( I ) ,范数为· I .记· ∞ , I 是L ∞ ( I ) 空间的最大模范数.特别地,当I = ( a , b ) 时,上述范数中的下标I 可以省略.其次,假设a = x 1 2 < x 3 2 < … < x M + 1 2 = b 为区域( a , b ) 的一个剖分,记单元I i = x i - 1 2 , x i + 1 2 的长度为h i = x i + 1 2 - x i - 1 2 , h = m a x i h i , i = 1 , 2 , … , M .假设剖分是正则的,即存在正常数c 1 , c 2 满足c 1 h ≤ h i ≤ c 2 h .假设Γ 为单元交界面点的集合,对任意的v ∈ L 2 ( a , b ) ,定义在Γ 上的范数为v Γ = ∑ i = 1 M v i - 1 2 + 2 + v i + 1 2 - 2 1 2 ,上标“-”和“+”代表对应点的左右极限.另外,记通过点x i + 1 2 的跃度为v i + 1 2 = v i + 1 2 + - v i + 1 2 - ,并记全局跃度为| [ v ] | = ∑ i = 1 M [ v ] x i - 1 2 2 1 2 .进一步引入区域( a , b ) 上的分片Sobolev空间V = v ∈ L 2 ( a , b ) : v I i ∈ H 1 I i , i = 1 , 2 , … , M .定义单元I i 上的k 次多项式空间P k I i ,k = 1 , 2 , ⋯ , K ,并引入有限维离散Sobolev空间V h = v ∈ L 2 ( a , b ) : v I i ∈ P k I i , i = 1 , 2 , … , M .
基于LDG方法的基本思想,方程(1)可等价为以下一阶方程组
∂ u ∂ t + ∂ ( f ( u ) - q ) ∂ x = 0 ,(2)
q - ∂ u ∂ x = 0 ,(3)
式中:非线性函数f ( u ) = u 2 2 并足够光滑,如f ( u ) 和f ' ( u ) 是有界的.
方程组(2~3)的变分问题为:对任意t ∈ ( 0 , T ] ,求( u , q ) = ( u ( · , t ) , q ( · , t ) ) ∈ V × V ,使得对任意( ρ , φ ) ∈ V × V ,成立
∫ I i ∂ u ∂ t ρ d x - ∫ I i ( f ( u ) - q ) ∂ ρ ∂ x d x + ( f ^ ( u ) - q ^ ) ρ - i + 1 2 - ( f ^ ( u ) - q ^ ) ρ + i - 1 2 = 0 ,(4)
∫ I i q φ d x + ∫ I i u ∂ φ ∂ x d x - u ^ φ - i + 1 2 + u ^ φ + i - 1 2 = 0 ,(5)
式中:i = 1 , 2 , ⋯ , M .变分问题(4~5)中的符号“^ ”代表数值通量.
本文黏性项对应的数值通量选取交替通量形式,即
数值通量
f ( u ^ ) = f ^ u - , u + 的选取满足如下条件:(a)一致性.
f ^ ( u , u ) = f ( u ) . (b)连续性.
f ^ 满足局部Lipschitz连续条件,即
f ^ ( u 1 - , u 1 + ) - f ^ ( u 2 - , u 2 + ) ≤ c 0 u 1 - - u 2 - + u 1 + - u 2 + , f ^ u - , u + - f ^ u + , u + ≤ c 0 [ u ] ,其中
c 0 为Lipschitz系数. (c)单调性.
f ^ u - , u + 函数的单调性是关于第一个变量非递减、第二个变量非递增.由文献[
9 ]可知,这样的数值通量形式是容易构造的,如文献[
10 ]提到的满足局部Lipschitz连续的单调通量.
变分问题(4~5)对应的空间半离散变分问题为:对任意t ∈ ( 0 , T ] ,求u h , q h = u h ( · , t ) , q h ( · , t ) ∈ V h × V h ,使得对任意( ρ , φ ) ∈ V h × V h 及i = 1 , 2 , … , M ,成立
∫ I i ∂ u h ∂ t ρ d x - ∫ I i f u h - q h ∂ ρ ∂ x d x + f ^ u h - q ^ h ρ - i + 1 2 - f ^ u h - q ^ h ρ + i - 1 2 = 0 , (7)
∫ I i q h φ d x + ∫ I i u h ∂ φ ∂ x d x - u ^ h φ - i + 1 2 + u ^ h φ + i - 1 2 = 0 .(8)
为方便表述,进一步将空间半离散变分问题(7~8)写成算子形式
∂ u h ∂ t , ρ I i = H i f u h ; u h ; ρ - B ¯ i q h ; ρ ,(9)
q h , φ I i = - B ˜ i u h ; φ ,(10)
对非线性算子H i 、线性算子B ¯ i 和B ˜ i 定义如下
H i ( f ( ξ ) ; ξ ; ρ ) = f ( ξ ) , ∂ ρ ∂ x i - f ^ ( ξ ) ρ - i + 1 2 + f ^ ( ξ ) ρ + i - 1 2 ,(11)
B ¯ i ( η ; ρ ) = η , ∂ ρ ∂ x i - η ^ ρ - i + 1 2 + η ^ ρ + i - 1 2 ,(12)
B ˜ i ( ξ ; φ ) = ξ , ∂ φ ∂ x i - ξ ^ φ - i + 1 2 + ξ ^ φ + i - 1 2 ,(13)
式中:ξ , η , ρ , φ ∈ V h ,并记H f ξ ; ξ ; ρ = ∑ i = 1 M H i f ξ ; ξ ; ρ , B ¯ η ; ρ = ∑ i = 1 M B ¯ i η ; ρ , B ˜ ( ξ ; φ ) = ∑ i = 1 M B ˜ i ( ξ ; φ ) .
依据数值通量的选取形式,可得
B ¯ + q h ; ρ = ∑ i = 1 M B ¯ i + q h ; ρ = ∑ i = 1 M q h , ∂ ρ ∂ x i - q h + ρ - i + 1 2 + q h + ρ + i - 1 2 ,(14)
B ˜ - u h ; φ = ∑ i = 1 M B ˜ i - u h ; φ = ∑ i = 1 M u h , ∂ φ ∂ x i - u h - φ - i + 1 2 + u h - φ + i - 1 2 ,(15)
若(u h , q h )是空间半离散变分问题(9~10)的解,则算子B ¯ 和B ˜ 满足如下关系
B ˜ - u h ; u h = - u h 2 ,(16)
B ˜ - u h ; q h = - B ¯ + q h ; u h .(17)
1.3 预备知识
为推导误差估计,引入Gauss-Radau投影
[11 ] .对任意
u ∈ V ,定义投影
P ± : V → V h 满足如下关系
P - u - u , v I i = 0 , ∀ v ∈ P k - 1 I i , P - u i + 1 2 - = u i + 1 2 - ,(18)
P + u - u , v I i = 0 , ∀ v ∈ P k - 1 I i , P + u i - 1 2 + = u i - 1 2 - .(19)
进一步引入数值误差w 、 z 和投影误差w e 、 z e
w = P - u - u h , z = P + q - q h , w e = P - u - u , z e = P + q - q ,(20)
引理 1 假设( u , q ) 、 ( u h , q h ) 分别为变分问题(4~5)和半离散变分问题(7~8)的解,成立
∂ w ∂ x ≤ c z + z e ,(21)
h - 1 2 | [ w ] | ≤ c z + z e ,(22)
∂ u h ∂ x + c 1 h - 1 2 | [ u h ] | ≤ c 2 q h ,(23)
w e + h w e ∞ + h 1 2 w e Γ ≤ c h k + 1 .(24)
引理 2 对任意u , v , ρ ∈ V h ,成立
H ( f ( u ) ; u ; u ) ≤ 0 ,(25)
| H ( f ( u ) ; u ; ρ ) | ≤ c 0 ∂ u ∂ x + c 1 h - 1 2 | [ u ] | ρ , (26)
| H ( f ( u ) ; u ; ρ ) - H ( f ( v ) ; v ; ρ ) | ≤ c 0 ‖ u - v ‖ ∂ ρ ∂ x + c 1 h - 1 2 | [ ρ ] | ,(27)
进一步在空间V h 中成立不等式:∂ w h ∂ x ≤ c 1 h - 1 w h , w h Γ ≤ c 1 h - 1 w h , w h ∞ ≤ c 1 h - 1 2 w h , ∀ w h ∈ V h ,以及对任意a , b ∈ R d ,成立
2 a , b = a , a + b , b - ( a - b , a - b ) .(28)
2 一维离散方法的数值分析
本节考虑一维黏性Burgers方程空间半离散方法的稳定性和误差估计,以及全离散方法的稳定性.
2.1 空间半离散方法的稳定性分析
命题 1 假设(u h , q h )是半离散变分问题(9~10)的解,则存在熵通量F ^ ,见式(32 ~33 ),成立熵不等式
1 2 d d t ∫ I i u h · , t 2 d x + ∫ I i q h · , t 2 d x + F ^ ( · , t ) i + 1 2 - F ^ ( · , t ) i - 1 2 ≤ 0 , i = 1 , 2 , … , M . (29)
证明 考虑半离散变分问题(9~10),将其写为求和形式
∂ u h ∂ t , ρ I i + q h , φ I i - H i f u h ; u h ; ρ + B ¯ i q h ; ρ + B ˜ i u h ; φ = 0 ,(30)
取检验函数ρ = u h 、 φ = q h ,定义F ˜ = ∫ u f ( ξ ) d ξ ,利用数值通量表达式的定义,由式(30) 可知
0 = ∂ u h ∂ t , u h I i + q h , q h I i - H i f u h ; u h ; u h + B ¯ i + q h ; u h + B ˜ i - u h ; q h = 1 2 d d t ∫ I i u h 2 d x + ∫ I i q h 2 d x - ∫ I i f u h ∂ u h ∂ x d x + ∫ I i q h ∂ u h ∂ x + ∂ q h ∂ x u h d x + f ^ u h u h - i + 1 2 - q ^ h u h - i + 1 2 - u ^ h q h - i + 1 2 - f ^ u h u h + i - 1 2 + q ^ h u h + i - 1 2 + u ^ h q h + i - 1 2 = 1 2 d d t ∫ I i u h 2 d x + ∫ I i q h 2 d x + F ^ i + 1 2 - F ^ i - 1 2 + Θ i - 1 2 , (31)
其中熵通量F ^ i + 1 2 、 F ^ i - 1 2 和函数Θ i - 1 2 定义为
F ^ i + 1 2 = - F ˜ u h - i + 1 2 + f ^ u h u h - i + 1 2 - q h + u h - i + 1 2 ,(32)
F ^ i - 1 2 = - F ˜ u h - i - 1 2 + f ^ u h u h - i - 1 2 - q h + u h - i - 1 2 ,(33)
Θ i - 1 2 = - F ˜ u h - + f ^ u h u h - - q h + u h - - q h + u h + - f ^ u h u h + + q h + u h + + u h - q h + + F ˜ u h + i - 1 2 . (34)
由数值通量f ^ u - , u + 的单调性可得Θ i - 1 2 = - F ˜ u h - i - 1 2 + F ˜ u h + i - 1 2 + f ^ u h u h i - 1 2 = ∫ u + u - f s - f ^ u - , u + d s ≥ 0 .利用式(31) 可得单元熵不等式成立.对单元熵不等式(29) 中的下标i 进行累加求和,可得如下L 2 稳定性结论.
推论 1 半离散变分问题(9~10)的解满足不等式
d d t u h ( · , t ) 2 + 2 q h ( · , t ) 2 ≤ 0 ,(35)
即对任意t ∈ ( 0 , T ] 成立,u h ( · , t ) 2 + 2 ∫ 0 t q h ( · , τ ) 2 d τ ≤ u h ( · , 0 ) 2 .
2.2 空间半离散方法的误差估计
本节考虑一维黏性Burgers方程空间半离散方法的最优误差估计.
定理 1 设( u , q ) 是变分问题(4~5)的解、u h , q h 是半离散变分问题(9~10)的解,则成立最优误差估计
u ( · , t ) - u h ( · , t ) ≤ c h k + 1 .(36)
证明 空间半离散方法的最优误差估计证明分为以下三步:首先构造能量方程,其次分别对能量方程中的线性部分和非线性部分进行估计,最后可得最优误差估计.
首先构造能量方程.定义误差e u = u - u h 、 e q = q - q h ,由变分问题(4~5)和半离散变分问题(9~10),可得单元上的误差方程
∂ e u ∂ t , ρ I i + e q , φ I i - H i f u ; u ; ρ + H i f u h ; u h ; ρ + B ¯ i + e q ; ρ + B ˜ i - e u ; φ = 0 , (37)
引入算子形式
ℬ i e q , e u ; ρ , φ = B ¯ i + e q ; ρ + B ˜ i - e u ; φ ,(38)
可将单元上的误差方程(37)改写为
∂ e u ∂ t , ρ I i + e q , φ I i = - ℬ i e q , e u ; ρ , φ + H i ( f ( u ) ; u ; ρ ) - H i f u h ; u h ; ρ ,(39)
对方程(39)关于指标i 累加求和,可得误差方程
∑ i = 1 M ∂ e u ∂ t , ρ I i + ∑ i = 1 M e q , φ I i = - ∑ i = 1 M ℬ i e q , e u ; ρ , φ + ∑ i = 1 M H i ( f ( u ) ; u ; ρ ) - ∑ i = 1 M H i f u h ; u h ; ρ , (40)
记e u = w - w e 、 e q = z - z e ,在式(40) 中选取检验函数ρ = w 、 φ = z ,可得能量方程
∑ i = 1 M ∂ w - w e ∂ t , w I i + ∑ i = 1 M z - z e , z I i = - ℬ + H ,(41)
式中:ℬ = ∑ i = 1 M ℬ i e q , e u ; w , z ; H = ∑ i = 1 M H i ( f ( u ) ; u ; w ) - ∑ i = 1 M H i f u h ; u h ; w .
接下来,对能量方程(41)中的线性部分进行估计, 即
ℬ = ∑ i = 1 M ℬ i e q , e u ; w , z = ∑ i = 1 M B ¯ i + e q ; w + ∑ i = 1 M B ˜ i - e u ; z = ∑ i = 1 M ∫ I i z - z e ∂ w ∂ x d x - z + - z e w - i + 1 2 + z + - z e w + i - 1 2 + ∫ I i w - w e ∂ z ∂ x d x - w - - w e z - i + 1 2 + w - - w e z + i - 1 2 = ∑ i = 1 M ∫ I i z ∂ w ∂ x d x - z + w - i + 1 2 + z + w + i - 1 2 + ∑ i = 1 M ∫ I i w ∂ z ∂ x d x - w - z - i + 1 2 + w - z + i - 1 2 = ∫ a b z ∂ w ∂ x d x + ∑ i = 1 M ( [ z w ] ) i - 1 2 + ∫ a b w ∂ z ∂ x d x , (42)
然后,对能量方程(41)中的非线性部分进行估计,即
H = ∑ i = 1 M ∫ I i f ( u ) - f u h ∂ w ∂ x d x + ∑ i = 1 M f ^ ( u ) - f ^ u h [ w ] i - 1 2 ,(43)
对其进行分部积分,可得
H = - ∑ i = 1 M ∫ I i ∂ f ( u ) - f u h ∂ x w d x + ∑ i = 1 M f u - - f u h - w - i + 1 2 - ∑ i = 1 M f u + - f u h + w + i - 1 2 + ∑ i = 1 M f ^ ( u ) - f ^ u h [ w ] i - 1 2 = ∑ i = 1 M Ⅰ i + Ⅱ i , (44)
为方便分析,忽略指标i - 1 2 .由引理1、Cauchy-Schwarz不等式及Young不等式,可推得
∑ i = 1 M I i = ∑ i = 1 M ∫ I i f ' u ∂ u ∂ x - f ' u h ∂ u h ∂ x w d x = ∑ i = 1 M ∫ I i c ∂ u ∂ x - ∂ u h ∂ x w d x ≤ ∑ i = 1 M ∫ I i c ∂ w - w e ∂ x w d x ≤ 1 4 ∂ w ∂ x 2 + ∂ w e ∂ x 2 + c ‖ w ‖ 2 ≤ 1 2 ‖ z ‖ 2 + 1 4 z e 2 + c ‖ w ‖ 2 + ∂ w e ∂ x 2 , (45)
Ⅱ i = f u - - f u + - f u h - - f u h + w - + f ^ u - f u + w - f ^ u h - f u h + w
≤ - f ' u u w - + f ' u h u h w - + f ^ u - , u + - f u + , u + w - f ^ u h - , u h + - f u h + , u h + w ,(46)
由f ^ 的Lipschitz连续性质、引理1及方程(46),可推得
∑ i = 1 M Ⅱ i ≤ ∑ i = 1 M - f ' ( u ) [ u ] w - + f ' u h u h w - + c 0 | [ u ] | [ w ] - c 0 u h [ w ] i - 1 2 ≤ c 0 c 1 h - 1 w w + c 0 c 1 h - 1 w e w ≤ c z + z e w + c 0 c 1 h - 1 w e w ≤ 1 16 ‖ z ‖ 2 + c ‖ z e ‖ 2 + c ‖ w ‖ 2 + w e 2 , (47)
联立方程(45)和(47),运用Cauchy-Schwarz不等式,可得非线性部分H 的估计
H ≤ 9 16 z 2 + 1 4 + c z e 2 + c w 2 + ∂ w e ∂ x 2 + w e 2 ,(48)
结合能量方程(41)、线性部分的估计(42)、非线性部分的估计(48),可得
1 2 d d t ∫ a b | w | 2 d x = ∫ a b ∂ w ∂ t w d x ≤ ∫ a b ∂ w e ∂ t w d x - ∫ a b z 2 d x + ∫ a b z e z d x + ∫ a b z ∂ w ∂ x d x + ∑ i = 1 M ( [ z w ] ) i - 1 2 + ∫ a b w ∂ z ∂ x d x + 9 16 z 2 + 1 4 + c z e 2 + c w 2 + ∂ w e ∂ x 2 + w e 2 ≤ ∫ a b ∂ w e ∂ t w d x - 1 4 z 2 + 1 2 + c z e 2 + ( 4 + c ) w 2 + ∂ w e ∂ x 2 + w e 2 , (49)
对式(49) 运用引理1和Cauchy-Schwarz不等式,得到
1 2 d d t ∫ a b w 2 d x ≤ c w 2 + c h 2 k + 2 ,(50)
最后,可由三角不等式和引理1得到最优误差估计式(36) .
2.3 全离散方法及其稳定性分析
本节采用LDG方法结合SDC方法的策略,构造全离散方法,并给出时间二阶和三阶全离散方法的稳定性分析.
2.3.1 SDC方法
考虑如下一阶常微分方程模型
d ψ d t = F E t , ψ t + F I t , ψ t , t ∈ 0 , T ,(51)
记[ 0 , T ] = ⋃ n = 0 N t n , t n + 1 ,进一步通过在时间子区间t n , t n + 1 上引入Chebyshev节点,将其剖分成p 个小区间,即t n = t n , 0 < t n , 1 < ⋯ < t n , r < t n , r + 1 < … < t n , p = t n + 1 ,并记Δ t n = t n + 1 - t n 、 Δ t n , r = t n , r + 1 - t n , r r = 0 , 1 , … , p .经过l 次校正后的离散误差近似方程为
δ n , r + 1 ( l ) = δ n , r ( l ) + Δ t n , r F E t n , r , ψ n , r ( l ) + δ n , r ( l ) - F E t n , r , ψ n , r ( l ) + F I t n , r + 1 , ψ n , r + 1 ( l ) + δ n , r + 1 ( l ) - F I t n , r + 1 , ψ n , r + 1 ( l ) + I r r + 1 ψ n ( l ) - ψ n , r + 1 ( l ) + ψ n , r ( l ) , (52)
通过简单的代数运算,可得校正方程
ψ n , r + 1 ( l + 1 ) = ψ n , r ( l + 1 ) + Δ t n , r F E t n , r , ψ n , r ( l + 1 ) - F E t n , r , ψ n , r ( l ) + F I t n , r + 1 , ψ n , r + 1 ( l + 1 ) - F I t n , r + 1 , ψ n , r + 1 ( l ) + I r r + 1 ψ n ( l ) , (53)
式中:I r r + 1 ψ n ( l ) 为∫ t n , r t n , r + 1 F τ , ψ ( l ) ( τ ) d τ 数值积分的近似,具体算法实现中可通过采用不同精度的数值积分公式进行数值近似.
选取p = 1 ,可得二阶SDC方法
I 0 1 ψ n ( 1 ) = Δ t n , 0 2 F t n , 0 , ψ n , 0 ( 1 ) + Δ t n , 0 2 F t n , 1 , ψ n , 1 ( 1 ) ,(54)
选取p = 2 ,可得三阶SDC方法
I 0 1 ψ n ( l ) = 5 Δ t n , 0 24 F t n , 0 , ψ n , 0 ( l ) + 8 Δ t n , 0 24 F t n , 1 , ψ n , 1 ( l ) - Δ t n , 0 24 F t n , 2 , ψ n , 2 ( l ) , l = 1 , 2 ,(55)
I 1 2 ψ n ( l ) = - Δ t n , 1 24 F t n , 0 , ψ n , 0 ( l ) + 8 Δ t n , 1 24 F t n , 1 , ψ n , 1 ( l ) + 5 Δ t n , 1 24 F t n , 2 , ψ n , 2 ( l ) , l = 1 , 2 ,(56)
式(
54 ~
56 )中对应系数至
p = 5 的情形已在文献[
8 ]中详细给出,不再赘述.
2.3.2 全离散方法
基于上述空间LDG及时间方向SDC方法,可以构造时空全离散方法,并使时间精度和空间精度相匹配.全离散算法的基本思想是在每个时间区间t n , t n + 1 上通过采用一阶Euler方法进行SDC校正,达到对应精度后,开始下一个时间区间的计算.本文分别以时间二阶和三阶SDC给出对应的全离散方法,对应的思想可以推广到更高阶的时间全离散方法.
时间二阶全离散方法:已知u n , 0 ( 1 ) = u n , 0 ( 2 ) = u n ,求u n , r ( l ) , q n , r ( l ) ∈ V h × V h , l = 1 , 2 ,使得任意( ρ , φ ) ∈ V h × V h ,成立
u n , 1 1 - u n , 0 1 , ρ I i = - Δ t n , 0 q n , 1 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 f u n , 0 1 , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 1 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 1 ρ + i - 1 2 , (57)
u n , 1 2 - u n , 0 2 , ρ I i = - Δ t n , 0 q n , 1 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 2 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 2 q n , 1 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 1 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 0 2 q n , 0 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 0 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 0 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 2 f u n , 1 1 , ρ x I i - f ^ u n , 1 1 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 1 ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 2 f u n , 0 1 , ρ x I i - f ^ u n , 0 1 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 1 ρ + i - 1 2 , (58)
q n , 1 ( 1 ) , φ I i = - u n , 1 ( 1 ) , ∂ φ ∂ x I i + u n , 1 1 ^ φ - i + 1 2 - u n , 1 1 ^ φ + i - 1 2 ,(59)
q n , 1 ( 2 ) , φ I i = - u n , 1 ( 2 ) , ∂ φ ∂ x I i + u n , 1 2 ^ φ - i + 1 2 - u n , 1 2 ^ φ + i - 1 2 ,(60)
进一步令u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 、 q n + 1 = q n , 1 ( 2 ) .
时间三阶全离散方法:已知u n , 0 ( 1 ) = u n , 0 ( 2 ) = u n , 0 ( 3 ) = u n ,求u n , r ( l ) , q n , r ( l ) ∈ V h × V h , l = 1 , 2 , 3 ,使得任意( ρ , φ ) ∈ V h × V h ,成立
u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) , ρ I i = - Δ t n , 0 2 q n , 1 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 2 f u n , 0 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ + i - 1 2 , (61)
u n , 2 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) , ρ I i = - Δ t n , 1 2 q n , 2 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 2 f u n , 1 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ + i - 1 2 , (62)
u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) , ρ I i = - 5 Δ t n , 0 24 q n , 0 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 0 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 0 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 6 q n , 1 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 1 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 24 q n , 2 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 1 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 0 3 q n , 1 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 2 ^ ρ + i - 1 2 + 5 Δ t n , 0 24 f u n , 0 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 3 f u n , 1 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ + i - 1 2 - Δ t n , 0 24 f u n , 2 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 2 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 2 ( 1 ) ρ + i - 1 2 , ( 63 )
u n , 2 ( 2 ) - u n , 1 ( 2 ) , ρ I i = Δ t n , 1 24 q n , 0 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 0 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 0 1 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 3 q n , 1 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 1 ^ ρ + i - 1 2 + 7 Δ t n , 1 24 q n , 2 1 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 1 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 1 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 24 f u n , 0 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 ( 1 ) ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 6 f u n , 1 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 1 ) ρ + i - 1 2 + 5 Δ t n , 1 24 f u n , 2 ( 1 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 2 ( 1 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 2 ( 1 ) ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 2 q n , 2 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 2 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 1 2 f u n , 1 ( 2 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 2 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 2 ) ρ + i - 1 2 , ( 64 )
u n , 1 3 - u n , 0 3 , ρ I i = - 5 Δ t n , 0 24 q n , 0 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 0 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 0 2 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 6 q n , 1 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 2 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 24 q n , 2 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 2 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 0 2 q n , 1 3 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 3 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 3 ^ ρ + i - 1 2 + 5 Δ t n , 0 24 f u n , 0 2 , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 2 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 2 ρ + i - 1 2 + Δ t n , 0 3 f u n , 1 2 , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 2 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 2 ρ + i - 1 2 - Δ t n , 0 24 f u n , 2 2 , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 2 2 ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 2 2 ρ + i - 1 2 , ( 65 )
u n , 2 ( 3 ) - u n , 1 ( 3 ) , ρ I i = Δ t n , 1 24 q n , 0 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 0 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 0 2 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 3 q n , 1 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 1 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 1 2 ^ ρ + i - 1 2 + 7 Δ t n , 1 24 q n , 2 2 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 2 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 2 ^ ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 24 f u n , 0 ( 2 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 0 ( 2 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 0 ( 2 ) ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 6 f u n , 1 ( 2 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 2 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 2 ) ρ + i - 1 2 + 5 Δ t n , 1 24 f u n , 2 ( 2 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 2 ( 2 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 2 ( 2 ) ρ + i - 1 2 - Δ t n , 1 2 q n , 2 3 , ∂ ρ ∂ x I i - q n , 2 3 ^ ρ - i + 1 2 + q n , 2 3 ^ ρ + i - 1 2 + Δ t n , 1 2 f u n , 1 ( 3 ) , ∂ ρ ∂ x I i - f ^ u n , 1 ( 3 ) ρ - i + 1 2 + f ^ u n , 1 ( 3 ) ρ + i - 1 2 , ( 66 )
q n , r ( l ) , φ I i = - u n , r l , ∂ φ ∂ x I i + u n , r l ^ φ - i + 1 2 - u n , r l ^ φ + i - 1 2 , l = 1 , 2 , 3 , r = 1 , 2 ,(67)
进一步令u n + 1 = u n , 2 ( 3 ) 、 q n + 1 = q n , 2 ( 3 ) .
2.3.3 稳定性分析
下面给出二阶全离散方法的稳定性分析,三阶全离散方法的稳定性同理可得,由于证明过程繁琐,故不再列出,类似的推导可见文献[
8 ].
为方便表述,将二阶全离散方法写为算子形式
u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) , ρ = Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ - Δ t n , 0 B ¯ + q n , 1 1 ; ρ ,(68)
u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) , ρ = 1 2 Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 H f ; u n , 0 ( 2 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 B ¯ + q n , 1 ( 1 ) ; ρ - Δ t n , 0 B ¯ + q n , 1 ( 2 ) ; ρ - 1 2 Δ t n , 0 B ¯ + q n , 0 ( 1 ) ; ρ , (69)
q n , 1 ( 1 ) , φ = - B ˜ - u n , 1 1 ; φ ,(70)
q n , 1 ( 2 ) , φ = - B ˜ - u n , 1 2 ; φ ,(71)
由式(16 ~17 )的性质,可推出B ¯ + φ ; u n , 1 ( l ) = - B ˜ - u n , 1 ( l ) ; φ = q n , 1 ( l ) , φ , B ¯ + q n , 1 ( l ) ; u n , 1 ( l ) = q n , 1 ( l ) 2 , l = 1 , 2 .
定理 2 假设u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 是全离散方法(68~71)的解,可得
u n + 1 ≤ u n , n = 0 , 1 , ⋯ , N ,(72)
其中Δ t n , 0 = 1 2 Δ t n c o s p - 1 p π + 1 ≤ 1 8 1 c 0 2 c 2 2 ,即Δ t n ≤ 1 4 c o s p - 1 p π + 1 1 c 0 2 c 2 2 .
证明 式(68) 中取检验函数ρ = u n , 1 ( 1 ) ,式(69) 中取检验函数ρ = u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) ,利用式(28) 及算子B ¯ + 的性质,可得
1 2 u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 1 ) 2 - 1 2 u n , 0 ( 1 ) 2 = Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) - Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 ,(73)
9 4 u n , 1 ( 2 ) 2 - 3 2 u n , 0 ( 2 ) 2 - 3 4 u n , 1 ( 1 ) 2 + E 1 = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) + 3 2 Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 1 2 Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) , (74)
其中
E 1 = 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 1 4 u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 .(75)
进一步,式(73) 乘3 2 加式(74) ,消去u n , 1 ( 1 ) 2 ,可得
9 4 u n , 1 ( 2 ) 2 - 9 4 u n , 0 ( 2 ) 2 + E = R B + R H ,(76)
其中
E = 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 ,(77)
R B = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) - 3 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 ,(78)
R H = 3 2 Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 1 2 Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 3 2 Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) , (79)
E 是一个非负的量,对式(76) 的能量分析没有影响.利用式(28) ,R B 可转换为
R B = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 2 + 1 2 q n , 0 1 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 2 + 1 2 q n , 0 1 , q n , 1 1 - 3 2 Δ t n , 0 q n , 1 1 2
= - Δ t n , 0 ∫ a b α T A α d x ,(80)
式中:α = q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) T ; A = 3 - 5 4 - 5 4 3 2 .易知A 为正定矩阵,且R B ≤ 0 ,对式(76) 的能量分析也没有影响,故全离散方法的稳定性分析主要针对R H 进行
R H = 3 2 Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) - H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) + 1 2 Δ t n , 0 H f u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) - H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 2 Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) + Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) + 9 2 Δ t n , 0 H f u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ≤ 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 1 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 + q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 = 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 1 2 Δ t n , 0 ∫ a b α T α d x , (81)
因A - 1 2 I 为正定矩阵,由Young不等式和引理2,可得
- Δ t n , 0 ∫ a b α T A - 1 2 I α d x ≤ 0 ,(82)
结合式(76 ~77 )、式(80 ~81 )可得
9 4 u n , 1 ( 2 ) 2 - u n , 0 ( 1 ) 2 + 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 ≤ 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 , (83)
若51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 ≤ 1 且4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 ≤ 1 2 ,即Δ t n , 0 ≤ 1 8 c 0 2 c 2 2 ,则可得u n , 1 ( 2 ) ≤ u n , 0 ( 1 ) .注意到u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 、 u n = u n , 0 ( 1 ) ,即u n + 1 ≤ u n .
3 二维离散方法的数值分析
本节将上述方法推广到空间二维情形,并给出对应的全离散方法及稳定性分析.
3.1 二维黏性Burgers 方程及空间半离散变分问题
给定二维有界凸区域Ω ,其边界充分光滑.考虑二维黏性Burgers方程
u t + ∇ · F ( u ) - Δ u = 0 , ( x , t ) ∈ Ω × ( 0 , T ] ,(84)
式中:未知量为u ( x , t ) = u x 1 , x 2 , t ;通量函数F ( u ) = f 1 ( u ) , f 2 ( u ) 已知.假设Ω h = ⋃ m = 1 M ℐ m 是对区域Ω 的一致三角形单元的离散化,ℐ m 为剖分单元,这里假设Ω 与Ω h 之间的几何逼近误差可以忽略不计,e 为单元上的边,Γ 为所有单元内部边界的集合.进一步引入分片Sobolev空间,V 1 = v ∈ L 2 ( Ω ) | v | ℐ m ∈ H 1 ℐ m , m = 1 , 2 , … , M ,V 2 = v ∈ L 2 ( Ω ) 2 | v | ℐ m ∈ H 1 ℐ m 2 , m = 1 , 2 , … , M ;对应的有限维逼近空间V 1 h = v ∈ L 2 ( Ω ) | v | ℐ m ∈ P k ℐ m , m = 1 , 2 , … , M , V 2 h = v ∈ L 2 ( Ω ) 2 | v | ℐ m ∈ P k ℐ m 2 , m = 1 , 2 , ⋯ , M .
接下来,基于空间半离散LDG方法的思想,引入辅助变量q ,将式(84) 转换为等价的一阶系统
u t + ∇ · ( F ( u ) - q ) = 0 ,(85)
q - ∇ u = 0 ,(86)
对应的空间半离散LDG变分问题为:求u h , q h = u h ( ⋅ , t ) , q h ( ⋅ , t ) ∈ V 1 h × V 2 h ,使得对任意( ρ , φ ) ∈ V 1 h × V 2 h ,成立
u h t , ρ Ω = H F u h ; u h ; ρ + B ¯ q h ; ρ ,(87)
q h , φ Ω = B ˜ u h ; φ ,(88)
其中
H F u h ; u h ; ρ = ∑ m = 1 M H ℐ m F u h ; u h ; ρ = ∑ m = 1 M F u h , ∇ ρ ℐ m - F ^ u h ⋅ n ℐ m , ρ ∂ ℐ m ,(89)
B ¯ q h ; ρ = ∑ m = 1 M B ¯ ℐ m q h ; ρ = ∑ m = 1 M - q h , ∇ ρ ℐ m + q ^ h ⋅ n ℐ m , ρ ∂ ℐ m ,(90)
B ˜ u h ; φ = ∑ m = 1 M B ˜ ℐ m u h ; φ = ∑ m = 1 M - u h , ∇ ⋅ φ ℐ m + u ^ h , φ ⋅ n ℐ m ∂ ℐ m ,(91)
式中:F ^ u h 、 q ^ h 和u ^ h 为数值通量;n ℐ m 为单元ℐ m 边界上的外法向量;( u , ρ ) ℐ m = ∫ ℐ m u ρ d x d y 、 ( q , ∇ ρ ) ℐ m = ∫ ℐ m q ⋅ ∇ ρ d x d y 、 q h ⋅ n ℐ m , ρ ∂ ℐ m = ∫ ∂ ℐ m q h ⋅ n ℐ m ρ d s 分别表示单元和单元边界上的内积.
3.2 全离散方法
空间半离散LDG变分问题是一个微分代数问题,可使用前述SDC方法开展进一步的时间方向离散,结合本文提出的二阶和三阶SDC方法,二维黏性Burgers方程的全离散方法构造如下.
时间二阶全离散方法:已知u n , 0 ( 1 ) = u n , 0 ( 2 ) = u n ,求u n , r ( l ) , q n , r ( l ) ∈ V 1 h × V 2 h , l = 1 , 2 ,使得任意( ρ , φ ) ∈ V 1 h × V 2 h ,成立
u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) , ρ Ω = Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ + Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 1 ) ; ρ ,(92)
u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) , ρ Ω = 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ + Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 2 ) ; ρ - 1 2 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 B ¯ q n , 0 ( 1 ) ; ρ , (93)
q n , 1 ( 1 ) , φ Ω = B ˜ u n , 1 ( 1 ) ; φ ,(94)
q n , 1 ( 2 ) , φ Ω = B ˜ u n , 1 ( 2 ) ; φ ,(95)
这里u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 、 q n + 1 = q n , 1 ( 2 ) .
时间三阶全离散方法:已知u n , 0 ( 1 ) = u n , 0 ( 2 ) = u n , 0 ( 3 ) = u n ,求u n , r ( l ) , q n , r ( l ) ∈ V 1 h × V 2 h , l = 1 , 2 , 3 ,使得任意( ρ , φ ) ∈ V 1 h × V 2 h ,成立
u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) , ρ Ω = 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 1 ) ; ρ ,(96)
u n , 2 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) , ρ Ω = 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 1 B ¯ q n , 2 ( 1 ) ; ρ ,(97)
u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) , ρ Ω = 5 24 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ + 1 3 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 0 H F u n , 2 ( 1 ) ; u n , 2 ( 1 ) ; ρ + 5 24 Δ t n , 0 B ¯ q n , 0 ( 1 ) ; ρ - 1 6 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 1 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 0 B ¯ q n , 2 ( 1 ) ; ρ + 1 3 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 2 ) ; ρ , (98)
u n , 2 ( 2 ) - u n , 1 ( 2 ) , ρ Ω = - 1 24 Δ t n , 1 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; ρ - 1 6 Δ t n , 1 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; ρ + 5 24 Δ t n , 1 H F u n , 2 ( 1 ) ; u n , 2 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 1 H F u n , 1 ( 2 ) ; u n , 1 ( 2 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 1 B ¯ q n , 0 ( 1 ) ; ρ + 1 3 Δ t n , 1 B ¯ q n , 1 ( 1 ) ; ρ - 7 24 Δ t n , 1 B ¯ q n , 2 ( 1 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 1 B ¯ q n , 2 ( 2 ) ; ρ , (99)
u n , 1 ( 3 ) - u n , 0 ( 3 ) , ρ Ω = 5 24 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 2 ) ; u n , 0 ( 2 ) ; ρ + 1 3 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 2 ) ; u n , 1 ( 2 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 0 H F u n , 2 ( 2 ) ; u n , 2 ( 2 ) ; ρ + 5 24 Δ t n , 0 B ¯ q n , 0 ( 2 ) ; ρ - 1 6 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 2 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 0 B ¯ q n , 2 ( 2 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 0 B ¯ q n , 1 ( 3 ) ; ρ , (100)
u n , 2 ( 3 ) - u n , 1 ( 3 ) , ρ Ω = - 1 24 Δ t n , 1 H F u n , 0 ( 2 ) ; u n , 0 ( 2 ) ; ρ - 1 6 Δ t n , 1 H F u n , 1 ( 2 ) ; u n , 1 ( 2 ) ; ρ + 5 24 Δ t n , 1 H F u n , 2 ( 2 ) ; u n , 2 ( 2 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 1 H F u n , 1 ( 3 ) ; u n , 1 ( 3 ) ; ρ - 1 24 Δ t n , 1 B ¯ q n , 0 ( 2 ) ; ρ + 1 3 Δ t n , 1 B ¯ q n , 1 ( 2 ) ; ρ - 7 24 Δ t n , 1 B ¯ q n , 2 ( 2 ) ; ρ + 1 2 Δ t n , 1 B ¯ q n , 2 ( 3 ) ; ρ , (101)
q n , r ( l ) , φ Ω = B ˜ u n , r ( l ) ; φ , l = 1 , 2 , 3 , r = 1 , 2 ,(102)
这里u n + 1 = u n , 2 ( 3 ) 、 q n + 1 = q n , 2 ( 3 ) .
3.3 二阶全离散方法的稳定性分析
为开展二维黏性Burgers方程的全离散方法稳定性分析,首先将一维情形的引理1和引理2推广到二维情形,即引理3和引理4,类似的推导可见文献[ 8 , 15 ] ,本文只给出证明梗概.
引理 3 若u , v , ρ ∈ V 1 h 且F ( u ) , F ( v ) ∈ V 2 h ,则满足如下关系
H ( F ( u ) ; u ; u ) ≤ 0 ,(103)
| H ( F ( u ) ; u ; ρ ) | ≤ c 0 ‖ ∇ u ‖ + c 1 h - 1 2 | [ u ] | Γ ‖ ρ ‖ ,(104)
| H ( F ( u ) ; u ; ρ ) - H ( F ( v ) ; v ; ρ ) | ≤ c 0 ‖ u - v ‖ ‖ ∇ ρ ‖ + c 1 h - 1 2 | [ ρ ] | Γ .(105)
证明 式(103)的证明可由式(85) 的变分问题推出.为完成式(104~105)的证明,首先对非线性算子H 进行分部积分,得出关于变量∇ u 、 [ u ] 与H 的等式;其次根据数值通量的一致性和Lipschitz连续性,并运用逆不等式和Cauchy-Schwarz不等式,对变量∇ u 、 [ u ] 与H 的等式进行放缩,可证得式(104~105).
引理 4 假设u h , q h 为半离散LDG变分问题(87~88)的解,即
q h , φ Ω = - B ˜ u h ; φ , ∀ φ ∈ V 2 h ,(106)
则下式成立
式中: u h Γ = ∑ e ∈ Γ u h e 2 1 2 .
证明 对q h , φ ℐ m 进行分部积分,即
q h , φ ℐ m = - u h , ∇ ⋅ φ ℐ m + u ^ h , φ ⋅ n ℐ m ∂ ℐ m = ∇ u h , φ ℐ m - u h , φ ⋅ n ℐ m ∂ ℐ m + u ^ h , φ ⋅ n ℐ m ∂ ℐ m = ∇ u h , φ ℐ m - u h , φ ⋅ n ℐ m ∂ ℐ m - , (108)
由此得到∇ u h 、 u h 与中间变量q h 的关系式.其次由参考单元到实体单元的仿射变换,取检验函数φ 为Legendre多项式,利用Legendre多项式的正交性质,对q h , φ ℐ m 进行分析,即可得到引理4.下面给出二阶全离散方法(92~95)的稳定性.
定理 3 设u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 为全离散方法(92~95)的解,可得
u n + 1 ≤ u n , n = 0 , 1 , … , N ,(109)
其中Δ t n , 0 = 1 2 Δ t n c o s p - 1 p π + 1 ≤ 1 8 1 c 0 2 c 2 2 ,即Δ t n ≤ 1 4 c o s p - 1 p π + 1 1 c 0 2 c 2 2 .
证明 在式(92 ~93 )中取检验函数分别为ρ = u n , 1 ( 1 ) 、 ρ = u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) ,并利用式(28) 及算子B ¯ 的性质,可得
1 2 u n , 1 1 - u n , 0 1 2 + 1 2 u n , 1 1 2 - 1 2 u n , 0 1 2
= Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) - Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 , (110)
9 4 u n , 1 2 2 - 3 2 u n , 0 2 2 - 3 4 u n , 1 1 2 + E 1 = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 2 + 1 2 q n , 0 1 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 2 + 1 2 q n , 0 1 , q n , 1 1 + 3 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 1 ; u n , 1 1 ; u n , 1 2 + 1 2 u n , 0 1 + 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) , (111)
其中
E 1 = 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 1 4 u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 .(112)
为构造能量方程,式(110)乘3 2 加上式(111)消去u n , 1 ( 1 ) 2 ,得到
9 4 u n , 1 ( 2 ) 2 - 9 4 u n , 0 ( 2 ) 2 + E = R B + R H ,(113)
其中
E = 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 ,(114)
R B = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) - 3 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 ,(115)
R H = 3 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 1 ; u n , 1 1 ; u n , 1 2 + 1 2 u n , 0 1 + 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 3 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) , (116)
E 为非负项,对式(113)的能量分析没有影响,利用式(28) ,可将R B 转换为
R B = - 3 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 + 5 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) - 3 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 = - Δ t n , 0 ∫ Ω α T A α d x d y , (117)
式中:α = q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) , q n , 1 ( 1 ) T ; A = 3 - 5 4 - 5 4 3 2 .可知A 为正定矩阵,即R B ≤ 0 ,对式(113)的能量分析同样没有影响,故全离散方法的稳定性分析主要针对R H 进行
R H = 3 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) - H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) + 1 2 Δ t n , 0 H F u n , 0 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) - H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) + 1 2 u n , 0 ( 1 ) + 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) + Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) + 9 2 Δ t n , 0 H F u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ; u n , 1 ( 1 ) ≤ 3 2 c 0 c 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) + 1 2 c 0 c 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) + 2 c 0 c 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) + c 0 c 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) ≤ 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 1 - u n , 1 1 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 2 - u n , 1 1 2 + 1 2 Δ t n , 0 q n , 1 ( 1 ) 2 + q n , 1 ( 2 ) + 1 2 q n , 0 ( 1 ) 2 = 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 1 2 Δ t n , 0 ∫ Ω α T α d x d y , (118)
因3 - 5 4 - 5 4 3 2 - 1 2 I 为正定矩阵,由Young不等式和引理4,可得
- Δ t n , 0 ∫ Ω α T 3 - 5 4 - 5 4 3 2 - 1 2 I α d x d y ≤ 0 ,(119)
联立方程(113~114)、方程(117~118),可得
9 4 u n , 1 ( 2 ) 2 - u n , 0 ( 1 ) 2 + 1 4 u n , 1 ( 2 ) - u n , 0 ( 2 ) 2 + 1 2 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + u n , 1 ( 1 ) - u n , 0 ( 1 ) 2 ≤ 51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 0 ( 1 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 + 4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 u n , 1 ( 2 ) - u n , 1 ( 1 ) 2 , (120)
若满足51 8 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 ≤ 1 且4 c 0 2 c 2 2 Δ t n , 0 ≤ 1 2 ,即Δ t n , 0 ≤ 1 8 c 0 2 c 2 2 ,则可得u n , 1 ( 2 ) ≤ u n , 0 ( 1 ) .注意到u n + 1 = u n , 1 ( 2 ) 、u n = u n , 0 ( 1 ) ,即证得u n + 1 ≤ u n .
4 数值算例
本节针对所提时空高阶数值方法,给出具体的数值验证算例.由SDC方法的经典结论可知,若时间方向采用一阶推进格式,则时间方向校正l 步可以达到时间误差阶l + 1 .同时,空间方向采用k 次插值,其空间L 2 误差阶为k + 1 ,由此得到理论上期待的全离散最优误差为u t n - u n , l ( l ) = c h k + 1 + τ l + 1 .以下算例选取不同黏性系数、不同插值次数k 及校正次数l 的匹配情形进行数值实验.
算例 1 一维解析解问题:考虑一维黏性Burgers方程
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x = ν ∂ 2 u ∂ x 2 , ∀ ( x , t ) ∈ ( 0 , 1 ) × ( 0 , T ] ,(121)
方程的精确解为u ( x , t ) = 2 ν π e - π 2 ν t s i n ( π x ) 2 + e - π 2 ν t c o s ( π x ) ,初始条件和边界条件可由精确解得到.
为达到较好的时空误差阶数匹配,算例选取
k = l ,分别取值为1、2、3、4进行验证.
表1 和
图1 给出了不同黏性系数下采用LDG方法结合SDC方法求解黏性Burgers方程的数值结果.数值算例表明,对于不同的黏性系数取值,在单元插值次数与校正次数匹配的情形下,算法均能达到对应的误差阶数,该结果正是该算法设计的基本思想体现.
算例 2 小初值能量耗散问题:考虑一维黏性Burgers方程(121)在给定初值条件及齐次边界条件下的能量耗散问题,算例将针对不同黏性系数情形给出数值结果
u ( x , 0 ) = π s i n 2 ( π x ) , x ∈ ( 0 , 1 ) .(122)
图2 展示了设定单元插值次数
k = 2 、时间校正次数
l = 2 情形下,不同时间步长和不同黏性系数的能量耗散演化过程,数值结果表明,对于齐次边界的小扰动初值问题,数值格式展现出良好的长时间数值耗散性与算法稳定性.
算例 3 二维解析解问题:考虑二维区域Ω = ( 0 , 3 ) 2 上的黏性Burgers方程
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + u ∂ u ∂ y - ν ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 = f , ∀ ( x , y ) ∈ ( 0 , π ) 2 , t ∈ ( 0 , T ] ,(123)
方程的精确解为
u ( x , t ) = e - t s i n ( x ) s i n ( y ) ,初始条件和边界条件可由精确解得到.算例利用商业网格生成软件Gambit对求解区域
Ω 进行非结构化Delaunay三角网格的生成.通过设定4条边界最大网格边长参数
h = 1 N , N = 8 , 20 , 32 ,Gambit软件可生成拟均匀网格.
图3 展示了设定单元插值次数
k = 1 、时间校正次数
l = 1 情形下,不同空间网格配比
N × N 及黏性系数时的数值解演化情况.该问题针对具有解析解的算例,可知在不同黏性系数情形下,随着网格加密,数值解均能达到很好的光滑性,在单元交界面处未出现非物理的振荡,表明数值通量选取的正确性及算法随着空间网格加密的数值收敛性.
表
2 ~
4 展示了时间
T = 0.1 和黏性系数
ν = 0.1,0.01,0.001 下,二维黏性Burgers方程的数值模拟情况及对应的
L 2 误差和收敛阶.可知随着黏性系数的增加,当
k = l 分别取1、2、3时,均达到最优收敛阶.
表5 展示了时间
T = 0.1 、黏性系数
ν = 0.000 1 下,二维黏性Burgers方程对应的
L 2 误差和收敛阶.当黏性系数
ν = 0.000 1 时,误差阶达到
k + 1 2 ,且出现掉阶现象,可能原因为:1)当黏性系数很小时,选取交替通量可能导致数值解的误差增大;2)当黏性系数很小时,可能在数值解中引入额外误差,导致精度降低.
表
6 ~
8 展示了黏性系数
ν = 0.001 、时间
T = 0.1 下,通过增加校正次数,使时空误差阶数达到匹配的过程.数值结果表明,选取
4 × 4 的空间网格时,对应不同的空间插值次数,时间上使用SDC方法可以匹配对应的空间阶数.
5 结 论
本文采用空间LDG方法结合时间SDC方法的策略,通过扩散项选取交替通量、对流项选取满足局部Lipschitz连续的单调通量,构造和分析了求解黏性Burgers方程的时空高阶演化方法,可以实现逐单元求解,从而有效降低离散问题求解规模,通过时间方向的反复校正达到时间高阶.对于一维问题,由单元熵不等式证明了空间半离散方法的L 2 稳定性,进一步使用能量分析技巧证明了空间半离散方法的误差估计,并对一维和二维黏性Burgers方程的全离散方法的稳定性进行了分析.数值算例验证了所提方法的有效性.
国家自然科学基金“磁微极流体动力学方程的降维方法研究”(12561075)
新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题“两相不可压磁流体动力学方程高效算法研究”(2022D04014)