二维扩散反应方程的三次样条高精度加权隐式差分格式及其多重网格方法

利用二阶微商的三次样条四阶紧致差分逼近公式,推导出两种数值求解二维扩散反应方程的两层9点加权隐式紧致差分格式.当θ=1/2时,该格式在时间和空间方向上分别达到二阶和四阶精度.通过Fourier方法讨论知,当1/2≤θ≤1时,格式是无条件稳定的;当0≤θ<1/2时,格式是条件稳定的.为了克服传统迭代法在求解隐格式方面的困难,差分方程采用多重网格方法进行求解并将本文格式的结果与P-R格式及C-N格式下的结果进行比较.数值实验结果验证本文方法的精确性和可靠性及多重网格方法的效率.     

解双曲方程的一种高精度加权差分格式

利用一阶微商的四阶精度紧致差分逼近公式,给出了解双曲方程精度为o[(1-2θ△t,△t2+△x4)]的一种新的加权差分格式,并通过Fourier方法讨论格式的稳定性,证明了当0≤θ≤1/2时,格式是无条件稳定的;当1/2≤θ≤1时,格式是不稳定的,最后通过数值试验说明了这种方法的有效性.     

阻尼梁振动方程的高阶数值格式

本文研究了带有阻尼项的四阶梁振动方程初边值问题,基于紧致差分方法,给出了数值求解该问题的四种高阶紧致差分格式.对方程中的一阶和二阶时间导数项采用中心差分离散,对四阶空间导数项分别采用五点、七点和带紧致的五点、七点四种方法进行离散,得到四种高阶紧致差分格式,这四种格式均在时间方向达到二阶精度,在空间方向分别达到二阶、四阶...     

解抛物型方程的一种高精度加权差分格式

利用二阶徽商的四阶精度紧致差分逼近公式，给出解抛物型方程精度为O[1－20）t，t2＋x4]的一种新的加权差分格式，并通过Fourier方法讨论格式的稳定性．证明了当1／2≤θ≤1时，格式是无条件稳定的；当0≤θ＜1／2时，只有r≤1／3（1－2θ），格式才是稳定的，其中θ是加权参数（因子），t，x分别为时空方向的网格长度，r=（D是二阶导数项系数）．     

三维对流扩散方程的高精度紧致差分格式

以一维定常对流扩散方程的高精度差分格式为基础,构造了三维非定常对流扩散方程的高精度紧致差分格式.该格式为两层格式,时间具有二阶精度,空间具有四阶精度.具体算例说明了上述格式的精确性和可靠性.     

分数阶非线性四阶反应扩散方程变步长L1格式的能量稳定

基于非均匀L1公式对时间分数阶非线性四阶反应扩散方程建立时间方向变步长的有限差分格式.利用离散互补卷积核,得到非均匀L1公式系数核的梯度分解,从而证明该差分格式在任意非均匀时间网格上保持变分能量耗散率.数值算例验证了格式的精度和有效性.     

二维拟线性粘性波动方程的三层紧致差分格式

本文根据Taylor展式,构造了二维拟线性粘性波动方程的高精度差分格式.该格式为三层格式,时间具有二阶精度,空间具有四阶精度.数值实验说明该格式的有效性.     

Equal-Width波方程的高精度守恒差分格式

对Equal-Width波方程提出一个三层线性高精度守恒差分格式.所建格式满足质量守恒和能量守恒,在时间和空间上分别为二阶和四阶精度.用离散能量法证明了所建差分格式的收敛性和稳定性.数值实验表明该格式是有效的和可靠的.     

RLW方程的高精度守恒紧致差分格式

对RLW方程提出一个高精度守恒紧致差分格式,所建格式满足离散质量守恒和能量守恒,在时间上为二阶精度,在空间上为四阶精度.用离散能量法证明了所建格式的收敛性和稳定性.数值实验验证了该格式的有效性和可靠性.     

求解二维热传导方程的高精度紧致差分方法

基于Richardson外推法提出了一种数值求解二维热传导方程的高阶紧致差分方法.该方法首先利用时间二阶、空间四阶精度的紧致交替方向隐式(ADI)差分格式在不同尺寸的网格上对原方程进行求解,然后利用Richardson外推技术外推一次,最终得到了二维热传导方程时间四阶、空间六阶精度的数值解,数值实验验证了该方法的高阶精度及有效性.     

解二维扩散方程的一类有限差分并行算法

对于求解二维扩散方程,构造了一类简单、实用的有限差分并行算法。 采用斜向差分算子［1］,建立斜向隐式差分格式,再结合边界条件,对扩散方程进行求解。此算法虽然是隐格式,但可以利用边界条件显式计算,既保持了隐格式的稳定性和精度,也减少了计算复杂性。通过具体的数值算例表明,此类算法并行性好,精度高,并行格式简单,有很好的实用性。     

双曲型线性方程三阶和四阶TVD格式的新构造

利用Taylor级数理论和总变差减小(TVD)格式的充分条件构造了时间二阶、空间五点三阶和四阶新TVD格式．给出了新TVD格式与传统TVD格式及近期建立的二阶新TVD格式用于线性双曲型方程的计算结果，表明本文新格式特别是四阶TVD格式具有比二阶新TVD格式和传统TVD格式峰值衰减更慢、间断更陡，而计算工作量具有与传统二阶TVD格式相当的良好数值性能．     

低耗散低色散有限差分格式误差分析

基于7点中心色散保持(DRP)空间离散格式,结合5种龙格库塔(RK)时间积分方法,从误差构成、误差传播、误差累积3个角度出发,采用传统Von Neumann误差分析方法和修正误差传播分析方法,分析比较了各时间离散格式和全离散格式的耗散色散误差,波数分辨能力,长距离波计算误差传播,低频波、中频波、高频波的误差累积特性,还从稳定性、求解精度等角度分析比较了各组合格式的优劣,获得了与7点中心DRP格式组合的最佳时间离散格式ORK6;最后对一维标量和矢量波动问题计算验证了各组合格式的准确模拟能力.     

三维非定常不可压N-S方程一个高精度求解格式

对三维、非定常、不可压Navier-Stokes方程提出了一种新的数值计算方法.在时间离散上应用3阶精度混合显-隐相结合的分裂格式,空间离散在x及y轴向采用非等间距网格的紧致有限差分格式与z向应用Fourier谱展开相杂交的数值方法逼近.经平板边界层流的验证表明,该算法具有计算精度高、稳定性好、收敛速度快等特点.同时也研究了三维、非定常流体运动下游边界问题,提出了无反射出流边界条件,以减少在有限计算区域内人工出流边界反射引起的数值误差,保证直接数值模拟的精度和准确性.该算法的提出对于求解边界层、射流及混合层等流动中的转捩与演化问题具有重要的理论意义.     

CALMET时空分辨率对CALPUFF模拟浓度场的影响

采用WRF输出的逐小时1 km分辨率预报风场作为CALMET诊断模式的输入, 生成不同时空分辨率的CALMET诊断风场, 耦合 CALPUFF得到逐分钟50 m分辨率浓度场, 在此基础上分析CALMET气象场时空分辨率对浓度场的影响, 并统计不同气象时空分辨率方案的计算耗时。结果表明, 当风向稳定且风速较大时, 较粗的时空分辨率亦能得到满意的风场和浓度场; 当风向转变且风速较小时, 时空分辨率对诊断风场和浓度场影响显著, 不同气象方案的浓度场差异可以高达40%; 风场转变期间, 当CALMET的时间步长大于30 min时, 加密气象网格会降低浓度场的模拟精度, 时间步长越长, 浓度场偏离越显著。综合考虑计算耗时和浓度场模拟准确性, 推荐在大气污染事故应急预警中采用10 min时间步长和400 m网格距的CALMET气象方案。     

SAV方法求解Allen-Cahn方程的数值比较

该文研究基于标量辅助变量(SAV)格式下求解Allen-Cahn方程的数值比较.首先给出1维Allen-Cahn方程的SAV格式; 然后,对方程的时间方向采用2阶向后差分(BDF2)格式和Crank-Nicolson(CN)格式离散,对方程的空间方向采用重心Lagrange插值配点法和2阶中心差分法离散,用离散正弦变换(DST)、快速傅里叶变换(FFT)求解差分导出的线性代数方程组; 最后,通过数值算例验证重心Lagrange插值配点法是指数收敛,与差分格式比较,配点格式用较少的点就能达到较高的精度且耗时少,并进一步验证几种SAV离散格式都满足能量递减规律.     

MEMS器件捷联惯导系统旋转调制技术

使用微机电(MEMS)惯性器件利于捷联惯导系统的低成本和小型化,但MEMS器件误差较大.为提高系统精度,引入了一种全自主误差补偿方法——旋转调制.说明了旋转调制对常值误差的抑制作用和对导航精度的改善效果,并在旋转轴数目、旋转方向、旋转连续性和旋转速度等方面比较了不同旋转调制方案.根据MEMS器件的误差特性,选择了一种适合MEMS器件捷联惯导系统的旋转调制方案并自主研发了原理样机.静态和车载实验表明:旋转调制可以明显抑制MEMS器件常值误差对导航精度的影响,200s内俯仰和横滚姿态精度提高了5倍,速度和位置精度提高了近10倍.     

辛几何理论和辛差分格式算法在目标散射场计算中的应用

通过分析辛几何理论、辛差分格式和显示辛差分格式,提出了一种将辛差分格式算法与辛几何理论结合起来,计算复杂目标散射场的新方法,该方法具有长时间的守恒性和精确性.还给出二维椭圆形反射天线焦散区散射场的计算实例,计算结果证明了辛几何理论结合辛差分格式求解散射场方法的有效性.     

离散坐标法积分方案的选取

以辐射平衡条件下一维平行平板介质层的辐射换热问题为例,介绍了求解辐射传递方程的离散坐标法,对影响离散坐标法计算精度与速度的角度积分方案的选取进行了研究.分析了离散坐标法常用的SN积分方案、Fiveland等权值积分方案FN及高斯积分方案GN对计算结果准确性的影响.研究表明:积分方案近似阶数越高,计算结果的精度越高,但随着积分方案阶数的增加,所需的计算量也增大;同一近似阶数的各种积分方案的准确性各不相同,其中FN积分方案在相同阶数下的精度最高,SN积分方案次之,GN积分方案的精度最差.在近似阶数足够高时上述三种积分方案均可达到较高的计算精度.     

紧致差分格式的分辨率与精度的实例比较与讨论

通过比较先前建立的4阶最优紧致差分格式,以及传统的6阶和8阶紧致差分格式,来研究精度和分辨率之间的关系,主要比较了空间离散格式的有效波数范围、实际数值计算精度、以及对小尺度波动的模拟能力.数值试验结果表明:(1)这3种格式的计算精度都可以达到理论精度,并且此时精度越高,误差越小;(2)对于小尺度波动,最优4阶紧致格式比6阶和8阶紧致格式具有更高的分辨率;(3)对于行波问题,最优4阶紧致格式能够更加准确地模拟波动的传播行为.理论分析和数值算例的比较结果均表明,数值格式的精度和分辨率并不能互相替代,而是要根据计算问题的需要选择具有合适的精度和分辨率的数值格式.