不可压流体的移动网格有限元求解及其代数多重网格预处理

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混合有限元是求解不可压流体方程的一种重要方法,它相对于一般的有限元方法,有很多的优点。在计算流体问题时,通常的有限元是把速度和压力分开来求解,先计算压力,然后对压力求导之后再计算速度,这样做会降低计算精度。而混合元方法是把速度和压力耦合在一起求解,从而提高计算精度。混合元涉及到两个有限元空间,这两个有限元空间需要满足inf-sup或LBB条件来保证混合有限元解的存在唯一性。因此这个条件对于求解非常的关键。  本文使用的是4P1-P1元,因为这种混合元自然满足inf-sup条件,保证了有限元解的存在唯一性,而且在速度和压力空间都只用线性元逼近。4P1-P1元是基于两层嵌套的网格结构,即速度网格和压力网格,而速度网格由压力网格加密一次得到。这种两层网格结构其实是一种特殊的四叉树,它有以下两个优点:  (1)这种树结构为有利于开发数值代数的快速求解器,即代数多重网格预处理;  (2)为自适应网格的求解提供了数据结构上的便利。  在Di等[28]的工作基础之上,基于4P-P1元,我们推广了求解不可压Navier-Stokes方程的移动网格有限元方法。这种方法在求解不可压流体时,不局限于周期性边界条件。我们的移动网格策略是:首先移动压力网格,然后通过树状结构来同步速度网格。为了检验这种方法可以求解更一般的流体问题,本文算例中采用的边界均是Dirichlet或者Neumann条件。  为了提高计算效率,我们结合Elman等[36]中对不可压N-S的PCD预处理方法以及已有的代数多重网格预处理策略,用移动网格有限元求解N-S方程组。特别是,在数值解从旧网格到新网格的插值过程中,我们也使用了代数多重网格预处理策略。从而,我们提出了一套完整的代数多重网格预处理策略,来加速移动网格有限元方法求解不可压N-S方程组。最后,我们在数值算例中展示这种预处理策略的高效性。
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