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【6h】

小参数对流扩散方程不同边界的多尺度有限元数值模拟

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目录

摘要

1 绪论

1.1 奇异摄动问题的阐述

1.2 研究现状

1.3 本文架构

2 多尺度问题和多尺度有限元方法

2.1 多尺度问题和多尺度计算方法

2.2 多尺度有限元方法

2.3 多尺度基函数

3 特殊网格的构造

3.1 Shishkin网格

3.2 Bakhvalov网格

3.3 等级网格

4 奇异摄动对流扩散问题

4.1 一维对流扩散Dirichlet边界问题

4.2 一维奇异摄动对流扩散Neumann边值问题

4.3 一维奇异摄动对流扩散混合边值问题

5 数值实验

6 总结

致谢

参考文献

声明

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摘要

微分方程中最高阶导数项含有摄动系数的问题称为奇异摄动问题。这类问题的解可能出现边界层现象,即解在边界层部分变化剧烈。如果采用一致网格,数值精度会偏低,而当摄动系数很小的时候,经典的数值解法并不能很好地去解决这类问题,同时可能得到错误的数值结果。因此在本文中,我们在选择先验的非一致网格(通过选取合适的过渡点对边界层部分进行网格加密)的同时,分别采取经典有限元方法(FEM)和多尺度有限元方法(MsFEM)求解奇异摄动问题。本硕士论文分为以下五章:
  (1)第一章介绍了奇异摄动问题和它的研究现状,了解问题解决的必要性。
  (2)第二章给出了本文中采用的数值方法:多尺度有限元法。从多尺度问题计算、多尺度有限元法以及多尺度基函数的构造进行叙述,概括了多尺度有限元法的研究背景和基本思想,分析它与传统数值方法的异同,阐述多尺度有限元方法的优势。
  (3)第三章采用了三种非一致网格:Shinskin网格、Bakhvalov网格和等级网格,分别从解的边界层在左边、右边、左右都有的三种情况,给出相应的网格节点坐标,采用特殊网格去求解奇异摄动问题,能保证计算精度。
  (4)第四章研究了三类不同边界的奇异摄动对流扩散问题,Dirichlet边界条件是本质边界条件,针对Neumann边界和混合边界,在处理的时候要注意导数的影响。在文章中,我们给出了相应的边界处理方法,使得数值程序能模拟正确结果。
  (5)第五章针对三类不同边界的问题给出相应的数值算例,根据解的性质,选取网格结合数值方法得到理想的数值结果。通过数值实验展现了多尺度有限元法结合特殊网格,计算小参数对流扩散问题的计算精度与数值优势。

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