如果您使用 FVM 求解给定的 PDE(Navier stoke's、Euler、heat eqn、advection eqn 等),该 PDE 是否应该在离散域中的每个单元都有效,或者仅在全局域中有效?
PDE 是否适用于 FVM 网格中的每个单元?
计算科学
pde
有限体积
2021-12-21 21:19:01
1个回答
与许多更多关于哲学而不是科学的问题一样,至少有三种不同的方式来回答你的问题,每种方式都有一个相当扎实的论据:
鉴于有限体积法需要离散化问题,因此不存在精确的连续 PDE 成立的地方。
但是,我们确实为每个单元创建了一个表示原始 PDE 的离散版本的方程,因此在这个意义上,每个单元中都有一个“有效”方程。
除非您的原始系统非常简单,或者您做出了一些非常不寻常的选择,否则最终系统将耦合代表每个单元的自由度。正是在这个意义上,当试图解决问题时,只有全局解决方案。
让我们通过产生一个有限差分方法,看看每个位何时开始。由于我们选择使用 FVM,我将假设原始 PDE 看起来像
幸运的是,您询问的所有方程式都可以用这种保守的形式写成。现在对于每个单元格,我们写一个积分方程,
按部分积分,并将微分拉到积分之外
这是我们最后一次有一个(积分)方程在道德上与原始 PDE 相同,(qv 答案 [1])。
从这一点开始,我们选择表达通量的积分,
通过刻面引导,, 边界细胞和,就我们的细胞积分而言,和. 现在方程已经离散化了。
如果我们选择(奇怪地)在仅作为函数给出,那么各个自由度是解耦的,对于每个自由度我们只有一个独立可解的方程(强烈建议为您的原始问题提供答案 [2])。
然而,这意味着放弃本地保护,FVM 的理想属性之一,它需要和匹配。一旦我们这样做了,变量就会耦合,我们只能通过攻击全局解决方案来找到解决方案。在这一点上,我们可以改为争论答案 [3]。