Сравнение точности и сходимости для метода CSPH - TVD и некоторых эйлеровых схем для решения уравнений газодинамики
Автор: Храпов Сергей Сергеевич, Кузьмин Николай Михайлович, Бутенко Мария Анатольевна
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Компьютерное моделирование
Статья в выпуске: 6 (37), 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе представлены результаты исследования точности и сходимости методов CSPH - TVD, MUSCL, PPM и WENO для решения уравнений идеальной газодинамики в одномерном случае на примере задачи о распаде разрыва.
Численное моделирование, газодинамика, лагранжево-эйлеров подход, порядок сходимости, точность численного решения
Короткий адрес: https://sciup.org/14969037
IDR: 14969037 | УДК: 004.94, | DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.6.15
The comparison of accuracy and convergence for the CSPH - TVD method and some Eulerian schemes for solving gas-dynamic equations
In this article the results of the study of accuracy and convergence methods CSPH - TVD, MUSCL, PPM and WENO for solving equations of ideal gas dynamics are presented. Many physical processes are described by the equations of gas dynamics. Because of their non-linearity, exact or approximate analytical solutions can be obtained only for a limited number of special cases. Therefore, numerical methods are usually used for gas-dynamic problems. One of these methods is the numerical scheme CSPH - TVD (Combined Smooth Particle Hydrodynamics-Total Variation Diminishing). This method is based on the consistent application of the Lagrange (SPH) and Euler (TVD) approaches. Our results show that the relative error and orders the convergence of all the above numerical schemes are quite close. This can be due to the presence of a weak discontinuity in the structure of the solution. There are many solutions in gas dynamics problems with such discontinuities. The presence of a weak discontinuity allows us to understand the properties of numerical schemes in a real (not test) computations. Our results show that CSPH - TVD method has comparable to popular Euler numerical schemes accuracy and convergence. A distinctive feature of this method is the possibility of computations at the boundary with vacuum (or dry bed for shallow water case). The additional regularization is not needed. The method is successfully used for solving various gas-dynamic problems in a variety of subject areas: the dynamics of surface water, aspiration flows, astrophysical jets, accretion flows, the transfer of contaminants and others.
Список литературы Сравнение точности и сходимости для метода CSPH - TVD и некоторых эйлеровых схем для решения уравнений газодинамики
- Жумалиев, А.Г. Численная схема cSPH -TVD: моделирование фронта ударной волны/А.Г. Жумалиев, С.С. Храпов//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2012. -№ 2 (17). -C. 60-67.
- Задача управления гидрологическим режимом в эколого-экономической системе «Волжская ГЭС-Волго-Ахтубинская пойма». Ч. 1. Моделирование динамики поверхностных вод в период весеннего паводка/А.В. Хоперсков, С.С. Храпов, А.В. Писарев, А.А. Воронин, М.В. Елисеева, И.А. Кобелев//Проблемы управления. -2012. -№ 5. -C. 18-25.
- Информационно-компьютерный комплекс для моделирования динамики примесей от предприятий химической промышленности/А.А. Белослудцев, Д.В. Гусаров, М.А. Еремин, Н.М. Кузьмин, С.А. Хоперсков, С.С. Храпов//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2009. -№ 13. -C. 95-102.
- Кузьмин, Н.М. Численное моделирование эволюции неустойчивых мод джетов, выходящих из молодых звездных объектов/Н.М. Кузьмин, В.В. Мусцевой, С.С. Храпов//Астрономический журнал. -2007. -Т. 84, № 12. -C. 1089-1098.
- Кузьмин, Н.М. Численный код для расчета аспирационных течений в промышленных цехах/Н.М. Кузьмин, М.А. Бутенко//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 5 (30). -C. 51-59.
- Писарев, А.В. Численная схема на основе комбинированного подхода SPH -TVD: проблема моделирования сдвиговых течений/А.В. Писарев, С.С. Храпов, А.В. Хоперсков//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2011. -№ 2 (15). -C. 138-141.
- Проектирование системы эколого-экономического управления территорией Волго-Ахтубинской поймы на основе гидродинамического и геоинформационного моделирования/А.А. Воронин, А.А. Васильченко, М.В. Писарева, А.В. Писарев, А.В. Хоперсков, С.С. Храпов, Ю.В. Подщипкова//Управление большими системами: сб. тр. -2015. -№ 55. -C. 79-102.
- Храпов, С.С. Моделирование динамики поверхностных вод/С.С. Храпов, А.В. Хоперсков, М.А. Еремин. -Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2010. -132 c.
- Численная модель динамики поверхностных вод в русле Волги: оценка коэффициента шероховатости/А.В. Писарев, С.С. Храпов, Е.О. Агафонникова, А.В. Хоперсков//Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. -2013. -№ 1. -C. 114-130.
- Численная схема для моделирования динамики поверхностных вод на основе комбинированного SPH-TVD подхода/С.С. Храпов, А.В. Хоперсков, Н.М. Кузьмин, А.В. Писарев, И.А. Кобелев//Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. -2011. -Т. 12, № 1. -C. 282-297.
- Численная схема cSPH-TVD: исследование влияния ограничителей наклонов/Н.М. Кузьмин, А.В. Белоусов, Т.С. Шушкевич, С.С. Храпов//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2014. -№ 1 (20). -C. 22-34.
- Шушкевич, К.С. Одномерная численная схема для газодинамического моделирования на основе комбинированного подхода SPH-PPM/К.С. Шушкевич, Н.М. Кузьмин//Вестник магистратуры. -2013. -№ 5 (20). -C. 40-44.
- Colella, P. The piecewise parabolic method (PPM) for gas-dynamical simulations/P. Colella, P.R. Woodward//Journal of Computational Physics. -1984. -Vol. 54, № 1. -P. 174-201.
- Harten, A. On upstream differencing and Godunov type methods for hyperbolic conservation laws/A. Harten, P. Lax, B.van Leer//SIAM Review. -1983. -Vol. 25, № 1. -P. 35-61.
- Jiang, G.-S. Efficient implementation of weighted ENO schemes/G.-S. Jiang, C.W. Shu//Journal of Computational Physics. -1996. -Vol. 126, № 1. -P. 202-228.
- Lax, P.D. Weak solutions of nonlinear hyperbolic equations and their numerical computation/P.D. Lax//Communications on Pure and Applied Mathematics. -1954. -Vol. 7, № 1. -P. 159-193.
- Leer, B.van. Towards the ultimative conservative difference scheme. III. Upstreamcentered finite-difference schemes for ideal compressible flow/B.van Leer//Journal of Computational Physics. -1977. -Vol. 23, № 3. -P. 263-275.
- Leer, B.van. Towards the ultimate conservative difference scheme. V. A second order sequel to Godunov’s method/B.van Leer//Journal of Computational Physics. -1979. -Vol. 32, № 1. -P. 101-136.
- The numerical simulation of shallow water: estimation of the roughness coefficient on the flood stage/S.S. Khrapov, A.V. Pisarev, I.A. Kobelev, A.G. Zhumaliev, E.O. Agafonnikova, A.G. Losev, A.V. Khoperskov//Advances in Mechanical Engineering. -2013. -Vol. 2013. -Article ID: 787016. - DOI: 10.1155/2013/787016