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第4l卷第2期
2008年6月
数学研究
Iollrnal of Mathematical Stal(h
、 1.41 No.2
.
n.2008
Stokes 问题各向异性网格 —P
混合元超收敛分析
石东洋 任金城
(郑 H大学数学系,河南郑州450052)
摘要讨论Stokes问题在各向异性网格下的Q2一P1混合有限元方法,利用积分恒等式技巧得到了与传统
方法相同的超逼近性质,同时基于插值后处理的技巧,构造了速度和压力的~对插值后处理算子,并且前者具
有备向异性特征,从而导出了整体超收敛结果.
关键词Stokes问题;混合元;超收敛;各向异性网格;后处理技术
中图分类号o 242.2i 文献标识码A
l1 引言
用混合元方法求解Stokes问题时速度空问和压力空间需要满足Babu ̄ka—Brezzi条件(BB
条件)ll】.当网格剖分比较好且精确解满足一定的正则性条件时,有些混合元具有超收敛
性【2一j.但这些研究都是基于对剖分的正则性条件或拟一致假设【5j.即满足hK/PK c,或
h/h c V K∈ ,其中
^∈』h
分别是一般单元 的最大直径和最大内切圆直径,h=…max hK
^ 1h
h:皿 hK c是一个与h无关的正常数.但是,从理论分析和实际应用的观点来说,如此假
设在很大程度上限制了有限元方法的应用范围,同时对有些定义在窄边区域的问题,如果用
正则性剖分,计算量将非常大;另一方面有些问题的解呈各向异性,器p沿某个方向解变化非常
剧烈,而沿另外方向解变化平缓,这时采用各向异性单元剖分,求解的效果会更好.本文基于
f6】中的一般插值理论研究Stokes问题在各向异性网格下Q2一P1混合有限元方法,通过一些新
的方法和技巧导出了与传统方法相同的超逼近性质.同时,利用插值后处理方法导出了整体
超收敛结果.
2 Stokes问题的逼近格式
考虑下面Stokes问题:
求(u p)∈V×P.满足
收稿日期t 2007-01—29
基金项目:国家自然科学基金资助项尽(10671184),(10371113).河南省高等学饺创新人才培养工程基金(2002—219)资助
项尽
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第2期 石东洋等:Stokes问题各向异性i霹格Q2~P1混合元超收敛分析 143
~
△_f』+Vp=f. 在Q内
在Q内.
在aQ上
div',=0
t£=0.
其中Q C 是适当光滑的有界凸区域, t=(1tI tl2)为流体的速度,P为压力,.厂=(, .Y'2)为
夕}、力, =(H (Q)n础(Q)) ,P= 3(Q)={q,q E L2( ). 2 qd.r =0).
上述问题㈥1的变分形式为:求( P)∈ ×p 满足
r)
其中
r f
0(I't )=/V Vvdzdy.b(v.q)=~/qdivvd:rdg ,( ,)=/, f
Q t,(2 √Q
为了简单起见,设 是边界同坐标轴平行的凸多边形区域. 是一族均匀矩形剖分,即
要求所有 行z~轴的^. 相同,所有 行 一轴的7 相同,不妨设h 兰h1.h 三h2,V K∈Th
h= {ht ^2).但剖分不需要满足正则性条件和拟一致假设.对任意的K∈Th 定义单元 的
中心为(.TK ),其边长分别为2 2 .单元 的顶点为Zl(zK~k: 一^ )1. (XK+h , K~
7£ )、 (T.K+7 。gK+ )j Z4(;FK~h j K+ )j单元K的边为l
Q2~P1混合元空间 × 可定义为i(;}:
. =1,2 3 4(rood4),
V ={t ∈(H (Q))。; lK∈Q2(K_)X Q2( _).V K∈ ;l,laQ:O},
P ={q∈L。(Q);ql ∈P1( ),V K∈n}
=
(3)
{q c pt ̄;fg.qdzdy=0)I
V vh Vh
,
v
.
显然 XPo' C(础(Q)) X塌(Q):则(2)的有限元离散形式为:
求(Uh Pt )∈V X P ,满足
=
显然n(・ ・)在1 X V“满足强制性,即存在正常数Q使得
n( 口) 0 V ,∈V
【7-Sl已经证明V“x.P 满足BB条件,即存在与 无关的正常数f?使得
o#
il1f
“qqP
0≠t 『|II I I I 一 I
q Io 1 >。・
(6)
由混合元理论知(4)存在唯一懈('ith Pt )∈V X P 且有下面的误差估计
一
“ + p^ c
( )
( 一 lf1+
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144 数 学 研 究 2008毹
其中这里及以后出现的c均是与hK/PK及7 无关的正常数.
此外,还证明了当混合元空间㈤3满足BB条件时,对任意的 )∈1厂 ×P“有
ll1+llqll【】)
(p 0)≠(
.
q)∈
P
×h
I II 1 I10
‘ l T¨
.
没札∈(H。 ))。.p∈£ (Q).其插值函数札 =( {.H5)∈V P ∈P 南以下条件确定:
在单元 上 、
厂
)
i=1.2.3.4.
i=1.2。3.4.
~ 一
=
厂
S
以及
√K
/ 一p1)qdxdy=0 V g∈P1( ). (1o)
由插值函数的定义知若 ∈(日 (Q)n嘲(Q)) :p∈塌( ).则(i'tI P )∈V“×
3一些高精度估计式
我们首先介绍下面非常有用的弓l理.
引理1[。】对任意的 ∈V .K∈ 成立下列不等式
l ̄a-y!lo,K曼oh7 l il0:K,
UxxyIio,K chT。IIv ̄lIo K,
。
.
l Il10
ll口 tl0
.
c l lllO,K,
c
。ll llo K,
。{l , tto,K.
(11)
tto,K ch ̄2hg ll llo
K.1l口 llo K c
中的思想弓l进误差函数
一
在任惹的单兀K∈ 上,利用
E( )=互1((
.
童K) 一 i),F( )=三(( 一 ) 一 ;).
记彬=( ,f¨.wil1)= 一u ,?一=p—p .
引理2如果n∈(H (Q))。,则
( , )=O(h。)f“
证明对" 关于变量Y做T ̄'lor展开
V ∈V^.
t, )=t Y )+(y-YK)t- ( 舭)+l(y
yA-)。t, ( . ),
_
(12)
l(.f。 ):( 一 ) 】 l(z.yK)dy- ̄,:w[1】 ( , )=。
(13)
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第2期 东洋等:Stokes问题备i台】异性网格Q2一P1混合元超收敛分析 145
J/{ ( 一 凡) ,
K
.
F㈤ ’
)∽
一
砌 ‘~ ”” 训
等 ~ 一 ,tlk ‰
等( 一 ) [1 c K)d ~丢 F ( )zc ”必c )
=一
I / F。( )“ lf】 (ir
・
),
l一厂 孙 一 6 0
F
K
t -vK ・
:
( ㈤沮)+ )”
+ 一 一
毒( 。_ ) 】F。( ) }z d:c一 1 F )p) 蚴t
_=
等
蛐 Ⅳ
r
,
=一
1( /一 ) 。㈨ 如一
1
一
“必 螂
由(12)至(is)式及弓}理1得
J K
厂 !
) 也
同理可得
] :【,l】=
所以
] 耳[,vill i ,
(V训
同理
[1】)=O(h。) ]
):O(h。) 】 J4l ,[2】J1. (V ”[21’
引理得证.
引理3如果P∈日。(94且网格 为均匀的矩形剖分
,
则
(r divv)=O(h。)lpl ̄ 1, ∈ h
.
证明对tj
"
注意到
)关于变量 做Taylor展开
Y )+( 一 ) , ( )+ 1(
~ K)。t, , )
: )∈ ( )及插值定义知
YK)=0
。
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数 学 研 究 2008钜
II
|rl i— I(\ E l i(r-9K、
(19)
注意到 ,[ 】在O-上连续且t 1 Ioa=0.由(17)至(20)式及弓l理l得
峭“一~ 睁荆 勰 冰 ^一 K 厂川),州 厂 , \‰~、 =卜:/州、 厂 水专 …、, -W“ 、 、F}, 百叫
】=。(『,。 I 3 Ill一 譬
,,
=
去( 一 )。 =石1 (F。( + ;)r- =丢 F。(j/)胁 ,
+石1磊
。(h3 1lIr 譬( 一 ) 龇r十 等 荆
∈
) 怕一丢
厂
2
F
"
譬
Z
, + 1 fo F2(v) 。v [1l s
O(h。)lpl3 1 1
拈
厨理
Ⅲ¨
引理得证.
弓l理4如果It∈(日 (Q))。 则
(divw q)=O(h。)lul4Ilqllo
证明由Taylor展开得
q(x,Y)=口(z YK)+(Y—YK)qY,
(21)
(22)
V q∈P
州 ( , )=( 一 )坩【1 :J )dy- w[1l‰(=r 弘)=。,
由(21)至(23)式及gin 1得
JⅣ
缀 一去 妒 盼
/w[ ̄11q=004)Ifl【 】l4_Kllqllo.
(23)
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第2期 石东洋等:Stokes问题各向异性网格Q2一P1混合元超收敛分析 147
敞
。
,Q
/u, =()( ,【 ql10
/ =o(t qlf0
同理可得
√Q
弓l理得证.
4 Q。一P。元超逼近及超收敛结果
定理1如果(『』.p)∈(丑 (1 1)n丑(}(1 2)) ×月 (E!) (tth.Pl )∈V ×p“分别是方程(2)和(4)的
解,则
I h—l 1+llP,l—plI{o CIr.。( I4-{-IpI3).
证明由f8)式,对任意的(u.q)∈Vh×P 有
c(f “h~“ 1+l l^一pillo)
≤
0
)≠ .器r『)∈ “ Pד
ph
×
II【U 1 l 11_I II 0
地
.
=
0 …
)≠( q)∈
1 0
l 【ll十ll II
将引理2至弓l理4代入上式且口得结论.
有了超逼近的结果,利用[6]中的思想可以用插值后处理算子 h. ^来得到整体超收敛.
把相邻的四个小单元K1. . ,甄合并为一个大单元 (如图1) 的顶点为Zi.i=1,… 9
霞的边为 i=1,・一,12.定义插值算子 h. , 在单元 上,对任意的(伽 p)∈(C(霞))。×
三。( ) ( h11}, , P)∈(Q4( )) ×P2( )满足
{f d I2hⅢ(zds: d“ i), =lL,.・.一. 2
・
c24
l
以及
=1..一
hpdxdy=/pdxdy, i=1,…,4,
(25) ,
。
( hp—p)xdxdy=/(J2hP—p)ydxdy:0
1
t,K1
其中Ki.1 分别为,J
f2
2
f
Ka
Z2
f4
Z5
lg
21
1
f7
K4
图1大单元
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l_圭8 数 学 研 究
同 由
2008纯
理 £2,
和
3
2
B
F}j【10]的技巧可以验证上述构造插值后处理算子 f 具有各向异性特征,即c :(c n2).
c1f=I时有 一~ 一-- -
Ib“( 一 ^ )l。
走≤cl 。遗l3
安,V矗∈( ( )) .
.
.
得
2
(26)
弓l理5在上述条件下,对任意的 ∈( (Q))2.插值算子 ^满足
8
叉
由
ll ^l“一 lIi ch。l“I4,
l hulll1 c1",,ti ∈Vh.
于
,l,I
(28)
(29)
n ”
一 一
证明由于“=(“ . 2):我们仅对“ 证明结论成立即可.由 ^的构造知(27)是显然成立
"
的.另一方面,令2hF:- 和2hK- 分别为 的沿 一轴和g一轴方向的边的边长
由(26)得
,
=兰
、
一一
( ^u1一It1) =
, ( 矗 一砬 )fI
c
<一
hR
<一
e 云 ^霞 Iutl;. h。^ h h
●
U
1
,
U
l
(3o)
e, 。㈨
、
.
一 一K
即
(31)
(32)
11(/2h, ) II
露
.
=
( h ̄)xdxdg= (I2 ;
^ , II(z;h砬 )£l l
,
叼
.
c,z元 , ll番 £l
安
l
t ^也-1 -1d 由 =c (矗 ) 武咖=c^ ,
:
.
=c (ul txdy=cIi- ̄1
所以
}I( ^cH1) llo,R cll札1 l10
詹
.
(33)
同理
ll( hu1)Ⅳll0 费 c11 ̄,1ⅣlI(】
.
,
(34)
由(33)和(34)即得(29).
弓f理得证.
弓l理6在上述条件下,x ̄-I ̄意的P∈ 。(Q)
插值算子 ^满足
.
(35)
P—plIo ch Ipl3
(36)
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第2期 石东洋等: Stokes问题各向异性网格Q
2~P1混合元超收敛分析 149
ll , 训0 c Ilqll0. q∈P .
f371
证明由 n的构造知(35)足显然威立的
p一
.
.
T ̄@fr]iE明(36)式
足 一赡
儿
re.hk 峨詹
.
hK%Sz露 j 霞^6 2 h
= lh -1 =(:^6fpf;
所以
t
霞,
,2^P一川o f ,^。f J Jl3
下面我们再证明(37)式
霞 (
J K
.
) 如西= f
|嚣
)。^也
‘。 n n
咖
: 疋 ・ 硼索 chR ^ 姐
=c^霞 / 露 / ̄zlh - 1 p 2
霞=cIlpl l
.
.
:
所以
s2,mllo c
引理得证。
定理2如果( p)∈(s-s (12)n珊(f2)) x日。((2) 则有下面的整体超收敛结果
l h饥,l ~札ll1+l ,l pf 一pll。 c 。(J“J4+Jpl。)
.
证明注意到 ^_“h一札= “ 一 ^ +
^ 一Ⅱ.由(27).(28)及(29)得
lf 『『“^一¨l s ll ^1l“^一』_2^ It +114h, ̄
ull =ll,2h"d,h一 u +l J ^ 一 lJ1
= ll ^( f 一“ )If1+ll,2 l一 II1 ch3(IuI4+Ivl31
.
同理
J'2hph—ptl0 ch。(1“_l4+Ipl31
定理得证
参 考 文 献
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析
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石东洋,梁慧.一个新的非常规
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超收敛分析 y{-推.计算数
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Che Shaod n 1un Shi Dongyang ,Zhao YmtgcherN・ AnJsot Dp H terpolacH n a (1‘lu‘ 卜”H u“
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t。
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沌
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S Dongyang Ren Jindleng
f Depam of Matll㈣atics,Z1㈣gzholl UniverSity zlle1ei 1gzh。u Hen 4 OO圳
Abstract Q2~P1 mkxed ifldte element method for Stokes problem o 1 nisotropic n hes ls d SCllSSed:
tlle saIne superclose propetries as the traditional methods are(1erived tt ougll i rcegral idc ltity techuiqu e.
F1Jrthermore。based on the il1terpota.ted postprocessiitg technique:a pair of 1)ostprocessn oper龇or?
ve10dtv and pressure constructed. And show that the former has an sotropic property・tl e t_l1e
global superconvergenee is obtained-
Kev words Stokes proble1_ll;mixed filite elfement;supereonvergenee;anisotrop n螂hes;post1)r0(=。 一
ing technique
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