具有高度可变系数的非齐次对流扩散方程的格式是什么?

计算科学 pde 有限差分 边界条件 数字
2021-12-20 15:00:05

我有一个一维对流扩散方程σt=a(x,t)σxx+b(x,t)σx+f(x,t)定义在单位区间上,两端具有非零诺依曼边界条件。应该注意的是,这些系数并不是严格为正的,这解释了下面的负 Peclet 数。

据我了解,选择适当的有限差分方案取决于佩克莱特数,或对流系数和扩散系数之间的比率,但这个比率b(x,t)/a(x,t)对时间有很强的依赖性,在 -700 和 1100 之间变化,这两个近似值之间的跳跃在时间上是不连续的。这是一个显示该比率的示例图x=0.1,空间中其他位置的图具有相似的形状:

在此处输入图像描述

我的问题是,哪种数值方案最适合解决这个问题?所在地区Pe=0可以丢弃;问题的物理学意味着该区域的解同样为零。我最初的猜测是对每个政权使用不同的方案。即什么时候Pe700,使用一种方案,并且何时Pe1100,使用不同的,并使用一个方案的最终结果作为下一个方案的初始数据,但我不确定这种方法的稳定性。我从来没有在负 Peclet 数的背景下看到对流扩散方程,所以我不确定第一个方案使用什么方案。我在别处读到,高阶上风对大 Peclet 数很有用,这可能是第二种方案的可能候选者。想法?

1个回答

这只是一个线性一维问题,您可以在这里轻松地进行隐式时间步进,这样数值稳定性就不会成为问题。准确性也不应该成为问题,因为对于这样一个简单的问题,您应该能够使用所需的任何空间分辨率。

更具体地说,让方程在空间上通过任何格式离散化,例如低阶中心差分,并让时间步长为隐式欧拉:

σn+1=σn+τ(M^σn+1+F^),

在哪里σn+1是预测的状态向量,σn是旧状态向量,M^表示微分算子和F^表示在网格上离散化的源项。运营商M^F^应该在中间时间点进行评估,tn+1/2.

现在,要执行一个时间步,求解预测状态的线性系统:

(I^τM^)σn+1=σn+τF^,

该方案对于任何平流速度和任何正定扩散系数都是无条件稳定的;但是为了时间积分的准确性,时间步长必须选择得足够小。