二维对流占优扩散方程基于特征理论的算法研究

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对流扩散方程是一类基本的运动方程,它可以用来描述河流污染、大气污染、核废物污染中污染物质的分布,流体的流动和流体中热的传导等众多物理现象。对流占优扩散方程具有一个共性,即对流占优性,对流占优性给数值求解带来许多困难。因此,寻找一种有效数值解法一直是计算数学中重要研究内容。80年代,Douglas和Russell等提出特征修正技术求解对流占优扩散问题,与其它方法相结合,提出了特征有限差分方法、特征混合有限元方法等,并给出理论分析。 本文考虑到问题的一维情形研究较多,选择二维线性对流占优扩散方程作为研究的模型问题,主要做了以下两个方面的工作: 1.将扩展特征混合有限元方法来数值求解该模型问题,给出了方程的离散格式.该格式从未知函数,未知函数的梯度及伴随向量函数三个方面同时高精度的逼近,即对扩散部分采用了扩展混合有限元方法;而对对流部分则沿着特征线方向进行离散,以消除流动锋线的数值弥散现象,这样又保证了稳定性。经过理论分析,对于二维情形,该方法同样具有稳定性且有L2的逼近精度。 2.在相同模型问题不同边界条件下,运用特征有限差分方法数值模拟。由文[27]讨论一维例子,进一步分析,找出一种求解二维对流占优扩散方程的双线性插值,给出了其离散格式,并理论分析了该格式的收敛性,结果整体误差与O(h2+△t)同阶。同时,给出了算例,利用MATLAB7.0软件编程算出该例子的数值解,通过图形比较分析,说明对于一类二维对流占优扩散方程,应用此差分格式,能更有效消除数值振荡现象,从而能提高数值逼近度。
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