计算物理 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (1): 14-28.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8546
收稿日期:
2022-04-22
出版日期:
2023-01-25
发布日期:
2023-07-04
通讯作者:
尚月强
作者简介:
王湛煌,男,硕士研究生,研究方向为偏微分方程数值解与计算流体力学,E-mail:wangzhanhuang1997@163.com
基金资助:
Zhanhuang WANG(), Bo ZHENG, Yueqiang SHANG*(
)
Received:
2022-04-22
Online:
2023-01-25
Published:
2023-07-04
Contact:
Yueqiang SHANG
摘要:
使用标准的有限元方法求解非定常Navier-Stokes方程所得速度误差常受压力误差影响,且误差随粘性系数的减少而增大。为了增强压力的鲁棒性,本文引入grad-div稳定项,以提高近似解的精度,提出数值求解非定常Navier-Stokes方程的并行两水平grad-div稳定有限元算法,其时间和空间离散分别采用隐式Euler格式和Galerkin有限元方法。首先在全局粗网格上求解非线性grad-div稳定问题,然后在相互重叠的细网格子区域上并行求解grad-div稳定问题,以校正粗网格解。最后给出数值实验验证理论分析的正确性和算法的有效性。
王湛煌, 郑波, 尚月强. 非定常Navier-Stokes方程的并行两水平稳定有限元算法[J]. 计算物理, 2023, 40(1): 14-28.
Zhanhuang WANG, Bo ZHENG, Yueqiang SHANG. Parallel Two-level Stabilized Finite Element Algorithms for Unsteady Navier-Stokes Equations[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2023, 40(1): 14-28.
算法 | h | H | CPU/s | Eu | Ep | 收敛阶 |
算法3.1 | 1/27 | 1/18 | 7.782 | 2.283 × 10-3 | 2.947 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.472 | 4.923 × 10-4 | 4.444 × 10-4 | 2.044 | |
1/125 | 1/50 | 62.289 | 1.186 × 10-4 | 1.595 × 10-4 | 2.060 | |
算法3.2 | 1/27 | 1/18 | 7.553 | 2.832 × 10-3 | 2.943 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.519 | 4.923 × 10-4 | 4.444 × 10-4 | 2.043 | |
1/125 | 1/50 | 63.909 | 1.186 × 10-4 | 1.595 × 10-4 | 2.060 | |
算法3.3 | 1/27 | 1/18 | 6.86 | 2.833 × 10-3 | 2.931 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.222 | 4.934 × 10-4 | 4.456 × 10-4 | 2.041 | |
1/125 | 1/50 | 63.645 | 1.191 × 10-4 | 1.586 × 10-4 | 2.059 |
表1 算法3.1~3.3的近似解误差
Table 1 Errors of approximate solutions by Algorithms 3.1-3.3
算法 | h | H | CPU/s | Eu | Ep | 收敛阶 |
算法3.1 | 1/27 | 1/18 | 7.782 | 2.283 × 10-3 | 2.947 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.472 | 4.923 × 10-4 | 4.444 × 10-4 | 2.044 | |
1/125 | 1/50 | 62.289 | 1.186 × 10-4 | 1.595 × 10-4 | 2.060 | |
算法3.2 | 1/27 | 1/18 | 7.553 | 2.832 × 10-3 | 2.943 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.519 | 4.923 × 10-4 | 4.444 × 10-4 | 2.043 | |
1/125 | 1/50 | 63.909 | 1.186 × 10-4 | 1.595 × 10-4 | 2.060 | |
算法3.3 | 1/27 | 1/18 | 6.86 | 2.833 × 10-3 | 2.931 × 10-3 | |
1/64 | 1/32 | 23.222 | 4.934 × 10-4 | 4.456 × 10-4 | 2.041 | |
1/125 | 1/50 | 63.645 | 1.191 × 10-4 | 1.586 × 10-4 | 2.059 |
ν | 算法3.1 | 无稳定项的并行算法 | |||
Eu | Ep | Eu | Ep | ||
1 | 1.126 3 × 10-4 | 6.216 51 × 10-4 | 1.119 99 × 10-4 | 5.582 96 × 10-4 | |
10-1 | 1.175 85 × 10-4 | 2.083 03 × 10-4 | 1.126 32 × 10-4 | 2.036 05 × 10-4 | |
10-2 | 1.311 98 × 10-4 | 1.933 03 × 10-4 | 1.420 51 × 10-4 | 2.002 67 × 10-4 | |
10-3 | 3.479 11 × 10-4 | 1.946 46 × 10-4 | 6.041 92 × 10-4 | 1.984 52 × 10-4 | |
10-4 | 5.473 91 × 10-4 | 1.966 75 × 10-4 | 1.536 08 × 10-3 | 1.994 52 × 10-4 | |
10-5 | 5.915 42 × 10-4 | 1.970 91 × 10-4 | 1.937 1 × 10-3 | 1.999 92 × 10-4 | |
10-6 | 5.968 42 × 10-4 | 1.971 32 × 10-4 | 1.989 61 × 10-3 | 2.000 63 × 10-4 |
表2 不同ν值下两种算法的误差
Table 2 Errors of two algorithms with different ν
ν | 算法3.1 | 无稳定项的并行算法 | |||
Eu | Ep | Eu | Ep | ||
1 | 1.126 3 × 10-4 | 6.216 51 × 10-4 | 1.119 99 × 10-4 | 5.582 96 × 10-4 | |
10-1 | 1.175 85 × 10-4 | 2.083 03 × 10-4 | 1.126 32 × 10-4 | 2.036 05 × 10-4 | |
10-2 | 1.311 98 × 10-4 | 1.933 03 × 10-4 | 1.420 51 × 10-4 | 2.002 67 × 10-4 | |
10-3 | 3.479 11 × 10-4 | 1.946 46 × 10-4 | 6.041 92 × 10-4 | 1.984 52 × 10-4 | |
10-4 | 5.473 91 × 10-4 | 1.966 75 × 10-4 | 1.536 08 × 10-3 | 1.994 52 × 10-4 | |
10-5 | 5.915 42 × 10-4 | 1.970 91 × 10-4 | 1.937 1 × 10-3 | 1.999 92 × 10-4 | |
10-6 | 5.968 42 × 10-4 | 1.971 32 × 10-4 | 1.989 61 × 10-3 | 2.000 63 × 10-4 |
子区域数 | Eu | Ep |
2 × 2 | 2.283 21 × 10-3 | 2.947 28 × 10-3 |
2 × 4 | 2.554 87 × 10-3 | 2.092 27 × 10-3 |
4 × 4 | 2.566 64 × 10-3 | 2.133 74 × 10-3 |
表3 不同子区域下算法3.1的误差
Table 3 Errors of Algorithm 3.1 with different subdomains
子区域数 | Eu | Ep |
2 × 2 | 2.283 21 × 10-3 | 2.947 28 × 10-3 |
2 × 4 | 2.554 87 × 10-3 | 2.092 27 × 10-3 |
4 × 4 | 2.566 64 × 10-3 | 2.133 74 × 10-3 |
图2 圆柱绕流的速度流线u1 (a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
Fig.2 u1- velocity of a flow around a circular cylinder (a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
图3 圆柱绕流的速度流线u2 (a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
Fig.3 u2- velocity of a flow around a circular cylinder (a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
图4 圆柱绕流的等压线(a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
Fig.4 Isobars of a flow around a circular cylinder (a) T = 2; (b) T = 4; (c) T = 6; (d) T = 8; (e) T = 10
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