Riemann问题ENO/WENO格式的优化研究初步

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数值模拟已成为与理论和实验并列的研究流体运动过程和规律的手段.然而,当前对流体运动的模拟越来越复杂,当面对大规模问题时,传统的方法会消耗大量计算机的计算时间,从而降低计算效率.因此,在保证数值格式不产生额外数值振荡的前提下,对数值格式进行优化显得十分有必要.本文针对一维ENO格式、一维WENO格式以及二维ENO格式的Riemann问题进行了优化,从而达到在不产生额外数值振荡的前提下,节约计算时间的目的.主要的研究内容和结论总结如下:  第一,标准一维ENO格式在捕捉激波间断问题中需要计算三个模板多项式,而这些模板多项式仅在间断附近有较大差别,而在其它较为平滑的位置差别很小.针对这一特点,我们对ENO格式进行优化,首先确定间断和平滑位置,然后在间断位置上用标准ENO格式,在平滑位置上用优化的ENO格式仅计算1个模板多项式,从而达到既节约计算时间又不影响计算效果的目的.基于这一思想,我们以一维激波管问题为例,把压强梯度作为判断间断和平滑的标准.在压强梯度大于预设临界值的位置用标准ENO格式计算,而在平滑的位置上,直接用预设模板多项式计算.结果表明:优化后的计算时间比原来减少30%-50%.此外,由于只有极少数点上的压强梯度值大于10-2,故考虑将其作为判断压强梯度的临界值;预设模板多项式的选择依据格式的迎风性,直接用标准ENO三模板的最左端或最右端模板作为最终结果.  第二,在一维ENO格式优化的基础上,对WENO格式进行进一步优化.用相邻点的压强梯度差代替直接对压强梯度的判断.结果表明:以压强梯度差的大小作为判断标准的优化WENO格式能节约计算时间,优化后的计算时间比原来节约34%-52%.另外,用ε作为任意取的常数作为压强梯度差的临界判断的值,既能保证最终结果不产生额外数值振荡,又能达到优化的目的.  最后,我们对100×100个网格点的二维ENO格式的Riemann问题进行了初步的优化探究.当对间断位置进行判断时,需要综合考虑x,y两个方向的压强梯度差.通过二维Riemann问题的数值算例,表明优化格式可以节省约将近一半(48%)的计算时间.为下一步更准确高效的捕捉激波打下基础.
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