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        網(wǎng)格幾何性質(zhì)對矩陣條件數(shù)影響的研究

        2013-05-14 11:00:24郭淼
        卷宗 2013年11期

        郭淼

        摘 要:在求解偏微分方程的過程中,數(shù)值解的精度與所采用的數(shù)值解法有關(guān)。而數(shù)值解法的計算性能對于網(wǎng)格的幾何形狀有很強的依賴性。本文選用有限體積法求解典型二階線性橢圓型方程,探索所得剛度矩陣的條件數(shù)與所選結(jié)構(gòu)網(wǎng)格幾何性質(zhì)之間的關(guān)系。所得結(jié)果能夠為方程組的求解以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的研究提供指導(dǎo)與依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:有限體積法;條件數(shù);網(wǎng)格幾何性質(zhì)

        0 引言

        在傳統(tǒng)上,不同的領(lǐng)域總是被分開獨立研究,從而使得各個領(lǐng)域的獨立性越來越大。在網(wǎng)格領(lǐng)域,用幾何度量作為檢驗網(wǎng)格質(zhì)量的標準是眾所周知的。有限體積法(Finite Volume Method,簡稱FVM),具有有限元方法的網(wǎng)格剖分靈活性,能逼近復(fù)雜的幾何區(qū)域,而且具有有限差分法在格式構(gòu)造上的多樣性,得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用如在[1,2]中。本文對剛度矩陣條件數(shù)與衡量網(wǎng)格幾何性質(zhì)的參數(shù)之間的關(guān)系進行了理論分析。所得成果能夠幫助網(wǎng)格的生成與優(yōu)化以及為線性系統(tǒng)中求解方程提供新的理解與依據(jù)。采用一次元FVM離散格式,,給出數(shù)值算例驗證理論正確性與合理性,以及對所得結(jié)論的進一步分析。

        1 二階線性橢圓問題

        考慮有界域ΩR2上的泊松方程:

        -?u=f, & in Ωu=0, & on ?Ω (1.1)

        ?Ω 為有界域Ω的邊界,記作Γ,u=u(x)為所求未知量。根據(jù)一次元有限體積法(見[3]),得到如下格式

        i=1t14Sqiupi-up0pi+1p0·pipi+1+upi+1-up0p0pi·pipi+1=f,ψp0

        (1.2)

        將其組裝成總體剛度矩陣,以此求解剛度矩陣條件數(shù)為研究所用。

        2 網(wǎng)格幾何性質(zhì)與剛度矩陣條件數(shù)

        由簡單的推導(dǎo)可知,對于任一三角形單元t,有t=h2sin2θ/4以及成立,在均勻的三角網(wǎng)格上可得條件數(shù)的估計范圍 c1h2sin2(2θ)≤CondK≤c2h2sin22θ。其中h為均勻網(wǎng)格中任一三角形單元t的對角線長度,θ與π/2-θ為三角形單元的兩個銳角。c1、c2c1、c2為與h與θ無關(guān)的正常量,其中h2與sin-1(2θ)成正比。

        3 數(shù)值算例與分析

        采用上述有限體積格式考慮如下問題:

        (3.1)

        Ω是一塊面積為1的方形區(qū)域, 表示方形區(qū)域的南北邊界,表示方形區(qū)域的東西邊界。該問題的精確解為.根據(jù)前文有限體積法格式在不同網(wǎng)格上計算得出的數(shù)值結(jié)果以及分析如下文所示。

        3.1 在二維均勻三角形網(wǎng)格上

        表1為在8192個節(jié)點的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上,不同三角形單元銳角的網(wǎng)格上所得數(shù)據(jù)可以得出總體剛度矩陣的條件數(shù)與sin-1(2θ)成正比,最大特征值與sin-1(2θ)也是成正比。對于二維問題,當網(wǎng)格總面積不變時,其最小特征值變化很小。當趨近于0或者時,最大特征值與條件數(shù)是增加的,當=即sin(2θ)時,最大特征值與條件數(shù)取到最小。表明當網(wǎng)格為正則結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時,所得數(shù)值結(jié)果最佳。

        如圖3所示,為sin-1(2θ)為橫坐標,最大特征值max(λ)與條件數(shù)Cond(K)為縱坐標。其中虛線為sin-1(2θ)與max(λ)×104的關(guān)系,實線為sin-1(2θ)與Cond(K)之間的關(guān)系。接近線性的圖形很好地驗證了理論推理的正確性。

        圖3.1sin-1(2θ)與max(λ)104、Cond(K)之間的關(guān)系

        如圖3.2所示在正則結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上(銳角θ=π/4),針對不同格規(guī)的網(wǎng)模所得數(shù)據(jù),如表2所示,當網(wǎng)格橫坐標縱方向節(jié)點數(shù)增加一倍時,最大特征值變化很小,最小特征值縮小為原來四倍左右,即條件數(shù)增加為原來數(shù)據(jù)的四倍,所得結(jié)果也是滿足之前所作分析。

        4 結(jié)論

        本文采用一次元有限體積法求解典型二階線性橢圓型方程,通過數(shù)值算例探討了剛度矩陣條件數(shù)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格幾何性質(zhì)之間的關(guān)系,給出了對于均勻三角形網(wǎng)格,在選取網(wǎng)格的時候應(yīng)該避免出現(xiàn)較小角的理論分析,當網(wǎng)格為正則結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時,所得數(shù)值結(jié)果最為理想。后續(xù)工作將集中在通過大量數(shù)值算例在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格研究的基礎(chǔ)上,探索非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的幾何性質(zhì)對剛度矩陣條件數(shù)的影響。

        參考文獻

        [1] Q.Du, D. Wang and L. Y. Zhu, On mesh geometry and stiffness matrix conditioning for general finite element spaces. SIAM J. NUMER. ANAL. Vol 47, No.2, pp. 1421-1444.2009.

        [2] I. Fried, Bounds on the spectral and maximum norms of the finite element stiffness, flexibilityand mass matrices, Int. J. Solids Structures, 9 (1973), pp. 1013-1034.

        [3] I. Fried, Numerical Solution of Differential Equations, Academic Press, New York, 1979

        [4] J. Shewchuk, What is a Good Linear Finite Element? Interpolation, Conditioning, Anisotropyand Quality Measures, Tech. report, Department of Computer Science, University of California, Berkeley, CA, 2003.

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