平滑扩散系数以提高收敛性

计算科学 有限差分 抛物线pde
2021-12-11 22:15:05

我一直在读 Thomee 的一本书,他考虑了以下情况ut=(aux)x, 对于a可能是不连续的。然后他说可能会出现收敛问题,因此解决这个问题可以平滑系数a并恢复收敛速度。

如果我错了,请纠正我,但不连续的系数首先会影响 pde 解的平滑度,因此会影响数值方法的局部截断误差。如果收敛取决于局部截断误差,则系数的平滑如何影响收敛,局部截断误差取决于函数本身的属性及其对我们无法控制的原始陈述问题的导数,因为它是问题的输入?

2个回答

我不知道 Thomee 到底在想什么,但是如果您根本无法获得不连续系数和特定离散化方案的解决方案,您可以在与网格尺寸成比例的长度尺度上平滑系数h并获得一个可以解决的问题。然后在细化网格时使平滑距离变为零,并获得一系列数值解,这些解近似于收敛到原始问题的解的扰动问题的一系列精确解。这是一个常见的伎俩。

对于不连续系数的情况,强形式离散化非常麻烦。最好使用不需要区分解决方案的弱形式方法。此外,虽然产品aux即使对于不连续的系数也是连续的,ux单独不是。因此,即使评估解的一个导数也是数值方法需要非常小心的事情。标准(稳健)方法是H(div)混合有限元、模拟有限差分和原始有限体积/差分方法,可选择正交,使其等效于某些混合方法。

我从上面的注释开始我的回复,因为数值离散化必须是稳定的并保留正确的属性,以便值得尝试解决由此产生的代数系统。在继续进行之前,请确保空间离散化对于所选目的是稳健的。例如,局部保护对于任何表现出不平滑的问题都是至关重要的。还要确认您的正交尊重非平滑度。

当系数具有不连续性,但跳跃符合网格时,您可以使用在界面处具有不连续梯度的离散空间,从而无需复杂技巧即可实现精确近似。这在有限元环境中是最自然的,这部分解释了它在结构力学中的流行。

对于系数的情况a在亚网格尺度上是粗糙的,有许多同质化技术。对于一维尺度分离的问题,用每个元素的调和平均值替换粗糙系数的简单方法是最佳的。对于多个维度或没有分离尺度的问题,需要更复杂的技术。

在所有情况下,系数的简单平滑都会显着降低精度,并且在网格解决精细尺度结构之前,您将无法获得精确的大规模解决方案,并且该方案通常不会收敛于能量范数。