用于高阶有限差分的 CFL

计算科学 有限差分 cfl
2021-12-04 12:03:51

对流方程的时间显式高阶有限元/DG 方法往往有一个时间步长限制,看起来像

dt<Ch/p2
在哪里h是网格间距和p是多项式次数。我很难为高阶有限差分模板找到类似的顺序相关限制。是否有一个已知的,或者它是否更多地取决于使用的特定模板而不是模板的顺序?

编辑:鉴于基里尔的回答,我会寻找ρ(A)作为 CFL 常数的代理(例如,DG 给出ρ(A)<Ch/p2)。是否知道如何ρ(A)FD 离散化取决于模板顺序或类型?

2个回答

我猜一个都没有。在通常的线法中ut+aux=0, 你最终得到一个形式为 ODE 的系统

ut=Au.

所以对时间步长的限制来自(1)要求特征值A位于您使用的任何时间步长方法的稳定性域中(例如,如果A是斜对称的,具有虚特征值,那么前向欧拉总是不稳定的),并且(2)来自最小化误差(如果空间和时间离散化都是二阶的,那么δt=δx)。

所以基于这个推理,我会说不,因为在如何选择 rhs 矩阵和时间步长方法方面有太多的自由,结果与方法的顺序无关,更多与其他属性有关,主要是A的频谱。当然这并不能完全排除这样的公式,但我的理解是稳定性分析必须逐案进行。

至少在线性平流的一维情况下,我没有经历过有限差分方法的 CFL 限制,具体取决于您编写时的精度顺序。条件稳定的明确时间设计良好的数值方案通常具有限制,我有这样的经验(和证明),使用 2 阶和 3 阶精确方案,模板最多有 5 个节点,即从 i-2 到 i +2。dtCh

与 DG 方法相反,更高方法的自由度位于相同的几何位置(元素),标准有限差分方法在增加精度阶数时也会增加几何模板。

关于有限差分(或相关有限体积)方法的标准教科书将 CFL 条件与取决于您求解的方程的“影响域”联系起来。也许DG方法中的一些“几何”自由度聚类引入了CFL条件对方法顺序的不利影响,但我的主观意见不会期望使用有限差分方法。

附录

我被要求提供参考,这是一个:

计算流体动力学原理 - Pieter Wesseling,2001 年,见定理 9.3.3,关于恒速的所谓 kappa 类方案几个二阶方案属于这一类,一个三阶精确(QUICKEST),在库朗数小于或等于 1 时达到稳定性。这就是所谓的冯诺依曼稳定性(傅里叶级数分析)。ut+vux=0vdtv/h

我不使用比 3 更高阶的方法,但我从论文和会议中知道,例如所谓的 ADER 方案(M. Dumbser 也将它用于 DG)可以产生任意的准确顺序,我不知道任何不良行为关于 CFL 条件的方案,但我可能错了。