插值与特征方法相结合会导致输运方程的振荡吗?

计算科学 pde 双曲-pde 稳定 插值
2021-11-24 20:31:47

我想知道对特征方法使用高阶插值器的效果。我正在解决

ut+a(x,t)ux=0
有一些不平滑的初始数据u0(x)通过特征的方法。这似乎是一个很好的方法,因为我不需要处理试图通过有限差分离散地解决这个问题所产生的任何困难。数值解根本不会有任何振荡!

但是,这是针对“无限细化网格”的情况,也就是说,如果我知道函数的任何值x在上一个时间步。相反,考虑一个网格xi:i{1,N}并及时前进。由于特征不能完美地跨越节点,我必须进行插值。我可以选择线性插值,但想采取更高的顺序来提高插值的准确性。

假设我选择一个分段二次多项式。那么插值点处的值可能会高于或小于区间端点处的值,因此极值会逐步放大。我可以人为地将插值限制在minxIumaxxIu以防止这种增长(其中I是特征在前一个已知时间相交的区间)。

有两个问题我想知道答案:

  1. 看起来如果我采用比线性插值器更高的阶数,特征方法会随着值的增长而失去稳定性,因为我拟合的抛物线的最大值或最小值可能超出端点值的范围(假设我有类似的东西sin(x)) 作为初始配置文件?所以在这种情况下它不是那么有效,如果我保持插值线性,我不能比一阶收敛做得更好。

  2. 人为限制取值范围是否会影响二次插值的准确性?如果在限制之前精度是二阶的,我是否通过“挤压”该值在区间内的最大值和最小值之间来降低精度?我想知道我是否可以做具有二阶精度的特征方法?

1个回答

这是一个重要且具有挑战性的问题。

  1. 是的,使用二次插值意味着您的解值可能位于初始数据所在的区间之外。当我们提到数值不稳定性时,这不是我们通常的意思,但它是一个潜在的不良特征。

  2. 是的,强制内插值位于一个区间内会破坏解决方案的准确性。然而,它是一种常用的技术。

可以使用斜率限制器方法或 ENO/WENO 插值法来缓解此问题,但使用其中任何一种方法,您仍然必须放弃正式的二阶精度或严格的最大值原则。

Martin Berzins的这篇论文中提出了一种最近提出的方法,该方法声称可以提供高阶准确的数据有界插值

如果您使用单元平均值而不是点值,也可以完成您想做的事情;张祥雄的论文

最后一句话,与您问题的重点无关:对于一般功能a(x,t),您需要使用牛顿迭代来实现特征方法。与传统的有限差分方法相比,这是一个主要缺点。