球极坐标的有限差分坐标变换

计算科学 有限差分 流体动力学 双曲-pde
2021-11-27 12:04:18

我有一部分由动量守恒方程描述的问题:

ρt+1sinθθ(ρusinθ)=0

其中(恒定速度)。u=f(θ)ρ=f(θ,t)

天真地可以应用此处列出的解决方案之一手头的问题最好用球极坐标(薄球壳)和笛卡尔坐标系来描述。在离散化这个方程之前我必须进行某种坐标变换还是可以直接离散化它?

其次,有什么理由应该首先扩展θ中的导数,然后尝试离散化?

作为说明 - 我已经完成了上述几项并获得了似乎不一致的解决方案(实际上有几个似乎是有意义的)。我感兴趣的是是否应该进行适当的坐标转换,或者前面提到的任何方法是否就足够了。

编辑:

我将通量定义为:

Φi+1/2=ui+1/2+|ui+1/2|2ρisinθi+ui+1/2|ui+1/2|2ρi+1sinθi+1

Φi1/2=ui1/2+|ui1/2|2ρi1sinθi1+ui1/2|ui1/2|2ρisinθi

我猜测定义通量的“正确”方法是 '细胞边界'而不是在细胞中心这将更符合通量的定义。sinθ±12

最后一个问题 - 我应该在边界处做什么(尤其是一个问题,我完全避免了这一点)。θ=0

1个回答

没有理由在离散方程之前必须变换坐标。但是,由于您使用的是球坐标,因此您最终会得到一个非线性系统,而不是出现在笛卡尔坐标中的线性系统。如果您想使用线性系统,则必须进行变量转换(很像在链接问题的第一个答案中出现Φ

至于扩展中的导数,我建议不要这样做,除非您必须进行上述转换。当前状态下的方程是保守形式,所有都与耦合。当您扩展导数时,您将失去这种耦合。这两种解决方案将通过越来越精细的网格相互收敛,但是它们之间存在非零差异。此外,有更多经验的其他人可能能够详细说明这两种形式的优缺点,因为即使它被称为方程的保守形式,有限差分方法在本质上在某种程度上是非保守的.θuρ