无网格方法数值研究

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在计算传热学或流体力学等领域,传统的方法主要是基于网格或有限单元的,需要形成计算区域的几何剖分拓扑结构.对复杂几何问题,网格的生成成为数值模拟的重要环节;而且对大变形问题常常会发生网格扭曲甚至缠绕,不得不在每一时间步都重新划分网格.而无网格技术由于不依赖于求解区域的网格拓扑结构,完全避免了传统方法在求解时不断重分网格所带来的精度降低及计算复杂性增加等问题,在处理运动不连续边界、多尺度现象、大变形等问题中表现出独特的优越性,是一类很有潜力的数值方法,近年来得到了学术界的广泛关注.该文就是以无网格数值方法为研究对象,主要进行了以下两方面工作:一、系统地介绍了无网格技术的相关知识,论述了无网格技术研究的工程意义,详细阐述了当前无网格方法的分类、原理、特点、自适应、基函数强化、目前存在的主要技术难点等各方面内容,并提出了进一步发展无网格方法的几点体会和看法;二、以MPS(Noving Particle Semi-implicit Method)无网格方法为基础,针对原MPS法的不足,提出了修正的MPS方法,对其数值特性进行了较为深入的分析,主要结论如下:(1)通过优化选择权函数,避免了虚节点的引入并可获得相同的精度,从而可方便地处理复杂几何问题,解决了不规则边界外虚节点参数难确定的困难.(2)对不同权函数的分析表明较好的权函数可在一定程度上改善数值精度.但一般只要依据数值逼近理论,按照一定原则选取权函数,就可在所用近似方法的框架下取得较好的局部近似结果,而单纯靠改进权函数来提高精度是很有限度的.(3)MPS方法并不总能够给出良好地数值解,表现出较强的数值耗散性,有时会与FVM数值解有较大差异,甚至出现数值振荡现象,尚需进一步改善其数值稳定性与精度,并指出了其数值精度低的根本原因及进一步的发展方向.
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