在有限体积法中,一种是使用单元平均值。在非线性守恒定律中,可以在求解过程中创建不连续性。当通量包含梯度并且泰勒近似由于不连续性而无效时,如何计算通量?
使用有限体积时如何近似通量(带梯度)?
非简并扩散将防止真实解决方案中的不连续性,但这些可能很难解决。我假设您的问题是关于如何评估形式为的扩散通量,其中是 SPD张量和代表一些以细胞为中心且不连续的空间分布参数。有几种方法。
两点通量
取两个细胞的质心和并计算。如果网格是正交的(在连接单元质心和法线与对齐法线的线段上的面正交点)并且系数是恒定且各向同性的,则这是一致的二阶精确通量(即,在质心和面中心处超收敛)。不幸的是,它失去了准确性,并且在一般网格和可变系数上存在稳定性问题。经常使用两点通量,因为它们简单而紧凑,但它是一种脆弱的方法,因为经常违反网格规律性和常数系数假设。
梯度重建
基本原理是重建每个单元格上的梯度,通常使用加权最小二乘程序,并使用在正交点(面中心)评估的梯度来定义通量。此过程仅适用于非线性通量。您可以在文献中找到许多变体,但您可能希望查看这些注释以了解背景和最常用的变体。这种方法的缺点是模板比严格要求的要大,并且生成的线性系统通常不是对称的或 M 矩阵(因此允许振荡)。
重新解释为混合有限元方法
混合有限元方法显式离散通量函数并使用固有不连续(可能是张量值)系数和解变量。混合有限元法的缺点是有更多的自由度,由此产生的方程组是一个鞍点问题(这使得它更难求解)。然而,在特殊选择正交之后,可以消除“通量”自由度,从而为单元中心变量生成(通常是对称的)正定系统。Wheeler and Yotov (2006)详细介绍了这方面的一个例子它使用底层 BDM-1 空间(边缘上的线性不连续通量函数,单元上的恒压函数)和单元角处的单元正交,这使得质量矩阵块对角线(每个角一个块)。消除助焊剂后,得到的系统是 SPD,并且具有最小的模板(仅连接共享一个角的单元)。对于张量系数和一般网格,它是二阶超收敛的,尽管对于不规则网格,通量仅是一阶精确的。
请注意,除了有限体积和混合有限元之间的关系之外,混合有限元方法和模拟有限差分方法之间存在对偶性。在我所知道的所有情况下,都可以选择基函数和求积以使方法一致,尽管对于某些类型的分析或在给定软件包中的实现,其中一种可能更自然。