在 FEM 文献中,半变分方法通常用于时间相关 PDE 的求解。我还没有看到完全变分的方法,即空间和时间由 FEM 离散化,也许允许使用非结构化时空网格。尽管时间步长方法可能更容易实现,但是否存在时空网格不可行的特殊原因?我想必须定制网格以尊重给定问题的物理特性,但我不确定。
时间相关 PDE 的时空有限元离散化
时间相关偏微分方程的全时空离散化确实是一回事。If you use a structured mesh in time (in the sense that the time discretization does not depend on space) and appropriate choice of trial and test functions, you can fit several standard time-stepping methods (Crank-Nicolson, implicit Euler or some Runge -Kutta 方案)到 Galerkin 框架中,它提供了一种优雅的分析方法。例如,在 Thomée 的著作Galerkin Finite Element Methods for Parabolic Problems(Springer,第 2 版,2006)或 Chrysafinos 和 Walkton 的论文Errorestimates for the discontinuous Galerkin methods for parabolic equations(SIAM J. Numer. Anal . 44.1, 349–366, 2006)。
使用完全非结构化的网格不太常见,但对于沿着特征传输信息的双曲线问题很有意义。如果您使用不连续的 Galerkin 公式,每个时空元素仅通过面项与相邻元素耦合(您没有全局连续性要求),并且您可以使用扫描过程通过沿特征从元素到元素来计算解——一种“倾斜”的时间步进。当然,这实现起来要困难得多,即使它不需要存储完整的时空网格(这可能会令人望而却步)。另一方面,您可以获得非结构化网格的优势,即允许局部(自适应)细化,从而实现局部自适应时间步长。弹性动力学的时空有限元方法:公式和误差估计,应用力学与工程中的计算机方法 66(3):339-363, 1988。Shripat Thite 还有一篇关于不连续 Galerkin 方法的时空网格划分的博士论文。
我看到这个想法的另一个背景是针对抛物线问题的 PDE 约束优化。在那里,您可以将一阶必要最优性条件表述为前向后方程的耦合系统,您可以将其解释为时间二阶、空间四阶椭圆方程与初始-最终(和边界条件。通过对此耦合系统进行自适应时空离散化,您可以使用一种有效的一次性方法来计算解决方案,请参阅Gong、Hinze、Zhou:抛物线最优控制问题的时空有限元近似,J Numer。数学。20(2):111-145(2012)。
最近有更多关于时空方法的论文。有一个来自Steinbach,时空有限元,另一个来自Langer 等。al,时空等几何分析都解决了抛物线演化问题。在这两篇文章中,他们生动地描述了变分公式,但在不同的环境中。正如标题所示,前者使用 FEM,后者使用 IgA。我认为这提供了很好的信息,特别是关于你所寻求的信息。
在专着《数值数学》第二版的最后一章中,Quatteroni 等。al , 有一个关于时空的部分可能也有帮助,尤其是与计划。
张量积时空实现与基于非张量的实现非常不同。后者有点棘手,尤其是对于 FEM。