双曲守恒律方程的高阶半拉格朗日方法

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半拉格朗日(Semi-Lagrangian)方法广泛用来计算Vlasov方程和模拟天气预报业务,此方法将拉格朗日方法(Lagrangian)和欧拉方法(Eulerian)有效地融合在一起,同时具备了这两种方法的优点:一方面,经过改进,Semi-Lagrangian方法可以具有高阶精度;另一方面,Semi-Lagrangian方法不必受CFL条件的限制,在数值模拟时可以大量节省计算的时间。此外,加权本质无振荡格式(WENO)作为一种具有高阶精度的方法,同时具有无振荡的性质。正是由于高阶Semi-Lagrangian方法既能达到高阶精确,又能有效地处理振荡,本文针对守恒律方程提出了几种高阶的Semi-Lagrangian方法,并且通过数值模拟实验检验了方法的高阶精度和无振荡的性质,进一步丰富了Semi-Lagrangian方法求解守恒律方程的理论知识。  首先,提出了一维双曲守恒律方程的高阶Semi-Lagrangian有限体积(FV)方法。采用向左的4阶RK方法计算特征曲线的初值问题,并利用特征曲线进行不同时间层的函数值的等价转换,转换后的函数值可由WENO方法重构来增加空间上的精度。由于沿着特征曲线的轨迹,初始点和终点的位置关系是变化的,故文中给出了适用于不同情形的WENO重构。进一步,通过精度检测和对无振荡性质的分析,验证了算法的高精度和有效捕捉间断点的性质。  其次,提出了二维双曲守恒律方程的高阶Semi-Lagrangian有限差分(FD)方法。利用Legendre多项式构造了新的WENO方法,该方法与普通的WENO格式有同样的模板和精度,但不需采用积分计算去实现整个重构过程,节省了计算时间,更适合重构文中的不在网格点上的数值流通量。除此之外,文中给出的一系列二维守恒律方程的数值试验,验证了该方法的高阶精度和处理间断点的能力。  最后,提出了5阶映射紧致Semi-Lagrangian FD方法。根据特征速度的符号,本文构造了不同的WENO重构方法,并将方法做了推广。由于采用常见的非线性权的WENO方法会造成极值点附近的精度下降,因此本文介绍了映射的加权处理这类问题。在数值模拟时,利用精度分析和无振荡性质的分析,验证了5阶映射紧致Semi-Lagrangian FD方法能达到5阶精度,同时能维持捕捉间断点的能力。  综上所述,基于高阶Semi-Lagrangian方法在求解双曲守恒律方程时的高阶精度及高分辨率等特性,本文依次提出了一维标量方程、Euler方程和带源项浅水方程的高阶Semi-Lagrangian FV方法,二维双曲守恒律方程的高阶Semi-Lagrangian FD方法以及5阶映射紧致Semi-Lagrangian FD方法。数值模拟试验证明了这些方法的精度和无振荡性,体现了高阶Semi-Lagrangian方法计算双曲守恒律方程的优越性,同时说明了本文提出的方法适用于求解双曲守恒律方程。
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