使用稳定的 P1-P1 有限元公式时不可压缩 Navier-Stokes 的压力定义/收敛问题

计算科学 有限元 流体动力学 计算物理学
2021-11-26 22:16:37

我相信这可能是一个反复出现的话题,但我还没有找到与这个问题直接相关的帖子。

我来自有限体积背景,我的经验更多是预测校正方案(例如 SIMPLE 或 PISO),所以我对稳定有限元(Galerkin Least Square (GLS) 或 Variable Multi-Scale (VMS) 例如)的了解是有限的。

我目前的理解是:P1-P1(速度-压力)元素(让我们说四面体)对于不可压缩的 Navier-Stokes 方程是无效的,因为它们不尊重著名的 LBB 条件。我们可以通过使用 GLS 或 VMS 方法稳定 P1-P1 元素来超越这个限制。这改变了鞍点问题,特别是在压力块矩阵的压力对角线上添加了项,然后可以解决问题。

我使用了这种方法,结果是连贯的。具体来说,速度的制造解决方案以正确的顺序收敛。当我试图解决封闭域中的问题(例如盖子驱动的空腔,其中所有法向速度都等于 0)时,我的问题就出现了。在这种情况下,我不明白应该如何定义压力水平,而且我的全局系统似乎是不适定的(缺少一个方程)。如果我像在 FVM 中那样将压力固定为单个节点,那么我似乎会立即失去质量守恒。在稳定方法的封闭模拟中“固定”压力水平的正确方法是什么?是否应该将平均压力强制为零?这不会导致这个方程的准实线,从而破坏矩阵的带吗?

这听起来像一个微不足道的问题,但我在这里不知所措。谢谢!

1个回答

使用 VMS 不会影响您如何处理连续 galerkin 方法的压力。

在封闭流动的情况下,就像所有关于速度的狄利克雷条件一样,通常将压力的平均值设置为 0。这通常可以作为非线性求解器中每个线性求解之后的后处理步骤来完成。

另一种可能性是使用压力惩罚术语,例如ε(p,q)

在您有流出条件(即渠道流)的情况下,对流出使用无法向应力条件就足够了。