两类非线性对流扩散问题的迎风有限体积元法

来源 :中国海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alfred0612
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本文进行了如下两部分的工作. 第一章研究了非饱和土壤水流问题的广义迎风差分法.非饱和土壤水的流动是田间均质土壤水分运动的一个简化模型.作为一个重要的气候因子一土壤含水率,其季节变动对中高纬度地区的天气与气候具有重要的影响.该问题的数学模型是一个非线性的对流扩散方程,除了一些很特殊的情况外,很难得到解析解.因此用数值方法求解该问题受到很多科学工作者的重<[5]-[8]>文献[6]和[7]分别用有限元法和有限差分法给出了此类问题的数值解,但由于有限差分法对边界条件及土壤参数极其敏感,误差相对较大,而用有限元方法进行模拟时计算量较大,给陆面过程的实际模拟带来不便.针对这种情况,本文对方程的时间项,采用向后差分的方法离散,对对流项用迎风差分格式,建立了非饱和土壤水流问题的广义迎风差分法,并给出误差估计和数值模拟.数值模拟结果表明,广义迎风差分方法计算量少,程序实现简单,既最大限度的保持了差分法的简单性,又兼顾有限元的精确性. 本文的第二部分研究了浅水波方程的迎风有限体积元方法.该方程的数值解可用来研究诸如潮汐、涌浪、溃坝、水环境污染扩散等人们关心的实际问题.因此,这方面的工作越来越受到人们的重视<[17]-[18]>.浅水波方程是由一个连续方程和两个动量方程组成的方程组.其中,连续方程是一个双曲方程,动量方程是两个对流扩散方程.Dawson等人<[17]>给出了一种解浅水波方程的Euler型特征-Galerkin方法,并给出了方法的误差估计,在此基础上,汪继文等人<[30]>给出了求解浅水波方程的一种Crank-Nicoison型基于特征方向的Galerkin方法.本文对连续方程采用广义迎风差分法,即取试探函数空间为分片线性函数,检验函数空间为分片常数,按特征线走向定义上游值和下游值,构建广义迎风格式.对动量方程用部分迎风有限元法,即在处理方程的对流项时,对于每个结点我们同时用到了迎风值(上游值)和背风值(下游值).在某些假定条件下,证明了部分迎风有限元格式满足离散极值原理,最后给出误差估计.与特征有限元方法相比,该方法具有计算量小,保持质量守恒等优点.
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