对流占优扩散问题特征混合有限元方法的一致估计

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本文证明了带有小参数ε的二维对流占优扩散问题特征混合元方法的一致估计。对流占优扩散方程为典型的抛物型方程,但在许多的实际应用中,由于扩散系数ε很小,问题表现为强烈的对流占优,方程在本质上是双曲的,流体会在流动的锋线前沿产生振荡。数值模拟表明,传统的抛物型离散格式在逼近流体流动的锋线前沿时会出现强烈的数值弥散现象。为克服传统格式的缺陷,更好的模拟此类问题,人们提出了特征混合元方法。这种方法包括两类,一类是将特征方法和混合元结合的特征混合元方法,另一类则是修正的特征方法与混合元方法结合而成的具有局部守恒性质的特征混合元方法。大量的数值实验表明,这两类方法在处理该问题时是易于实现且高效的。它们不仅能够消除数值弥散现象,保证格式在锋线前沿逼近的高稳定性,而且可以同时高精度逼近未知函数与其伴随向量,并且在误差分析中已经得到了关于未知函数与其伴随向量的最优的L2误差估计。但是这些误差估计的得出是通过引入真解的混合型椭圆投影得到的,而椭圆投影的逼近性质要依赖于充分小的参数ε,因此由这种方法得到的误差估计式中的常数也要依赖于ε。而当ε充分小时,就会将该常数无限放大。为得到与ε无关的误差估计,本文仍采用上述两种特征混合元方法对具有周期性边界条件的对流占优扩散问题进行数值模拟,通过引入标准的Raviart-Thomas投影和插值算子来代替原来的混合型椭圆投影,得到了这两类方法关于ε的一致估计,即证明了误差估计式中右端的常数仅与真解的某些Sobolev范数有关,而不直接依赖于小参数ε。在第一种特征混合元方法的理论分析中,当Courant数小于1时,误差估计达到最优;同时结合偏微分方程中关于真解的稳定性估计,进一步证明该常数仅依赖于原问题的初值与右端项。最后通过数值算例验证了对两类方法理论分析结果的正确性。
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