有限元:体积积分,内部多项式阶
经典有限元方法假设连续或弱连续逼近空间,并要求满足弱形式的体积积分。通过提高元素内的近似阶数来提高精度阶数。这些方法并不完全保守,因此经常与不连续过程的稳定性作斗争。
有限体积:表面积分、来自不连续数据的通量、重建顺序
有限体积方法使用分段常数逼近空间并要求满足分段常数测试函数的积分。这产生了准确的保护陈述。体积积分转换为表面积分,整个物理场以这些表面积分中的通量来指定。对于一阶双曲问题,这是黎曼解。二阶/椭圆通量更加微妙。通过使用邻居来(保守地)重建元素内部状态的高阶表示(斜率重建/限制)或通过重建通量(通量限制)来提高准确性的顺序。重建过程通常是非线性的,以控制解的不连续特征周围的振荡,见总变异减少 (TVD) 和基本非振荡 (ENO/WENO) 方法。非线性离散化对于同时获得高于平滑区域的一阶精度和跨不连续性的有界总变化是必要的,请参见戈杜诺夫定理。
评论
FE 和 FV 都易于在非结构化网格上定义高达二阶精度。FE 在非结构化网格上更容易超越二阶。FV 可以更轻松、更稳健地处理不合格的网格。
结合 FE 和 FV
这些方法可以以多种方式结合。不连续 Galerkin 方法是使用不连续基函数的有限元方法,因此可以获得黎曼求解器,并且对不连续过程(尤其是双曲线)具有更高的鲁棒性。DG 方法可以与非线性限制器一起使用(通常会降低一些精度),但在没有限制的情况下满足单元级熵不等式,因此可以在没有限制的情况下用于其他方案需要限制器的某些问题。(这对于基于伴随的优化特别有用,因为它使离散伴随更能代表连续伴随方程。)椭圆问题的混合有限元方法使用不连续的基函数,在选择一些求积后,可以重新解释为标准的有限体积方法,看这个答案更多。重建 DG 方法(又名或“Recovery DG”)使用类似 FV 的保守重建和内部顺序富集,因此是 FV 和 DG 方法的超集。PNPM