Stokes问题各向异性网格Q2-P1混合元超收敛分析

更新时间:2024-03-12 15:38:45 阅读: 评论:0

2024年3月12日发(作者:对公司的感受)

Stokes问题各向异性网格Q2-P1混合元超收敛分析

维普资讯

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 

维普资讯

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

, 

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 

“ + p^ c

( ) 

( 一 lf1+ 

维普资讯

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 、 

) 

 

i=1.2.3.4. 

i=1.2。3.4. 

~ 一 

= 

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 

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) 

维普资讯

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 ’ 

)∽ 

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 

维普资讯

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) 

维普资讯

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 

维普资讯

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 

= 

( h ̄)xdxdg= (I2 ; 

^ , II(z;h砬 )£l l

, 

叼 

c,z元 , ll番 £l 

安 

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) 

维普资讯

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 

re.hk 峨詹 

hK%Sz露 j 霞^6 2 h

= lh -1 =(:^6fpf;

所以 

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 

Gi ault V RaViart P A

FiIlite ElemeI1t Method for NaVier

st。kes Eqllati。砸:Ti1eory‘dIld Alg。 

rithrns S ・pringer—Verlag

Heidel

 。 

berg

1986.

15(3)

潘建华,周爱辉・st。kes问题的一种新的混合有限元逼近

:193 199. 

系统科学与数学,1995. 

~一…一’ 

SPIaAn?I ̄N{ “ a・G 。ba sttperconvergelice ofr tlle}illIlear—c。11stal1t scllelne f0r t}le st。kes I)I.。})leII1.

1977,34(6):2424—24a0. 

… … ‘ ‘ 。 

J.umer.Ana1.

林甲富,林群・st。kes问题一种混合元近似的超收敛

上程数学学报,2O()4I 21(3):325—329

. 

维普资讯

150 数 学 研 究 2008任 

[5] .1et P G.Lions.1L_H k。f Nllllleri r}11 

lysis l・II:Finite鼬le 

1 996。

 

l。(pa.rt ) 

New York.Anlsterdam:North—Holland.1991・ 

群,严宁宁・高效有

元构造与

l79一l92’ 

‘ 

>lag

版社

Ja

n m

ump 

ltip

)d

wit

f_1 B b a u. ̄ka I.Tile finite el

ele

enlent methods will La.:rang 

n! ̄

lie

rs

“ ‘ …… … ‘ 

Mat 1973.2( J

B rezzi F.On the existencej uniqueness and approx 1 ae on OI s K 

rs. RAIRO

n 

lie

L ag

ra

ugian m

ulti

a ox ati。II saddle-point pr(J})1ems arisiI 

i u “儿 …“…‘b一~‘ 

I“

lIl

le

石东洋,梁慧.一个新的非常规 

rm

布滢

He

学' 2005: 369-382 

超收敛分析 y{-推.计算数 

it

e 

型各向异性矩形兀的斑收敛 伪及 ’ ‘ 扦姒 

clleri. n mp iIlterp。lati。n and(11l i—wi1s。n c1e—

Che Shaod n 1un Shi Dongyang ,Zhao YmtgcherN・ AnJsot Dp H terpolacH n a (1‘lu‘ 卜”H u“ 

ment for IIar删qu 1ateral meshes.IMA j Numer.And-:2004,24(1):77—95・ 

ment 

it

te

ix

ce

§yPsi

nv

r 

Super

 ̄e

nkaA1

Mco

he

fo

tr

ic

sh

nn

is。

r。

le

m。

t。

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 

Stokes问题各向异性网格Q2-P1混合元超收敛分析

本文发布于:2024-03-12 15:38:44,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.wtabcd.cn/zhishi/a/1710229125283615.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

本文word下载地址:Stokes问题各向异性网格Q2-P1混合元超收敛分析.doc

本文 PDF 下载地址:Stokes问题各向异性网格Q2-P1混合元超收敛分析.pdf

标签:混合   插值   收敛   方法   问题   条件
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
推荐文章
排行榜
Copyright ©2019-2022 Comsenz Inc.Powered by © 实用文体写作网旗下知识大全大全栏目是一个全百科类宝库! 优秀范文|法律文书|专利查询|