在多维模拟中使用阶数高于 2 的有限差分方案通常不稳定吗?

计算科学 有限差分 流体动力学 有限体积 平流扩散
2021-12-11 08:10:55

我是一个试图概括我们继承的一维平流-扩散-反应代码的团队的一员,通过使用维度拆分将其扩展到二维,即使用一维方案分别解决 x 和 y 的平流和扩散。

扩散是(相对)无痛的,但平流存在问题。

最初,该代码具有通量受限的三阶迎风偏向一维平流方案,这在 1D 情况下就像一个魅力。然而,当同样的方案扩展到二维时,就会出现疯狂的不稳定性。应该是径向平流 - 扩散剖面在横向方向上起皱并射出“喷射状”不稳定性:

[不稳定[1]

然而,当我使用一阶迎风方案时,我确实得到了一个很好的、对称的径向剖面。一阶迎风格式解的问题是高阶格式确实抑制了过度的虚假扩散。但由于上述不稳定性,高阶方案的问题更加严重。

我想知道在多维情况下,一般来说高阶方案是否是一个坏主意?多维问题是否更容易受到高阶方案引起的“振荡”?通量限制器怎么样,一维通量限制器是否应该防止这种振荡发生(在我的情况下,三阶情况的通量限制器似乎没有帮助)?即使它们带来错误的扩散,我是否应该坚持使用低阶方案?我使用的这个三阶方案也是通量受限的,但是通量限制并不能阻止不稳定性......

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