与高阶方法结合使用交错网格是否比常规网格有优势?

计算科学 流体动力学 计算物理学 网格
2021-12-08 23:58:25

标题说的是全部。这个问题是在一个不可压缩的 Navier-Stokes 求解器的竞赛中。

具体来说,我目前正在开发一个新的求解器,同时将自己推荐给旧代码以获得指导。使用高阶方法 - WENO5 用于对流和四阶有限差分其他导数 - 是强制性的。我的顾问希望我使用交错网格,这会使问题复杂化,但更重要的是,会为每个时间步增加约 15% 的额外计算(例如ux需要计算在u,v,w和压力点,而不是常规网格的一个网格点)。

我记得交错网格的第一个优点是避免棋盘式振荡解决方案和压力-速度耦合。但是当使用高阶方法时,这不是自动消除问题吗?另外,如果交错网格比并置网格提供了一些真正的数值优势,我认为我愿意使用交错网格。

1个回答

让我将我的评论表述为答案(并使其更准确):

我的经验和知识是,要使用具有任何标准(低阶或高阶)方法的并置网格来解决此问题,您必须修改(稳定)您的 Navier-Stokes 方程。这意味着需要付出一些额外的努力。使用交错网格时,这不是必需的。

我熟悉的参考资料和一些总结是:

S. Patankar:数值传热和流体流动。1980 - 参见第 6 章“流场计算”,其中提到了“并置”网格(即所有未知数都位于同一网格点)的压力值棋盘模式问题,并且只提出了单一的补救措施 - 交错网格,并且没有方程或离散化方法的修改是必要的。

JH Ferziger, M. Peric:流体动力学的计算方法。2002 年(第 3 版) - 它可以被视为 Patankar 书的延续。参见第 7 章关于 Navier-Stokes 方程的求解和第 7.2 节关于网格上可变排列的选择,以及之后的章节。

值得注意的是,在 1960 年至 1980 年间,在引入交错网格之后,很少有作品使用并置网格。并置网格开始再次流行“投影方法”,该方法存在于许多变体中,并且在 Ferziger 和 Peric 的书中得到了很好的讨论。如果我简化它,基本思想是推导并使用泊松方程来计算压力,然后更新速度场以保持保守。

我从以下论文中了解到在并置网格上引入稳定性(有时与人工可压缩性相比):

Schneider, GE, Raw, MJ:使用并置变量控制传热和流体流动的体积有限元方法 — 1. 计算程序。编号。传热 11, 363–390 (1987)

Karimian, SM, Schneider, GE:所有速度下的基于压力的控制体积有限元方法。AIAA J. 33(9), 1611–1618 (1995)

Nägele, S., Wittum, G.:关于不同稳定方法对不可压缩 Navier-Stokes 方程的影响。J.计算机。物理。224, 100–116 (2007)

所以我相当主观的总结可能是,在使用交错网格时,不需要对某些“标准”数值方法进行额外修改。与并置电网相反,一些额外的努力是必要的。