Вариационные многомасштабные методы конечных элементов для нелинейного уравнения конвекции-диффузии-реакции
Автор: Желнин Максим Сергеевич, Костина Анастасия Андреевна, Плехов Олег Анатольевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.12, 2019 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена построению вариационных многомасштабных методов конечных элементов для численного решения двумерных краевых задач с сингулярно-возмущенным нестационарным нелинейным уравнением конвекции-диффузии-реакции. Решения данных задач могут быстро изменяться в тонких слоях, что при применении стандартной расчетной схемы Галёркина приводит к возникновению в этих областях нефизических осцилляций. В вариационных многомасштабных методах выполняется разложение исходной задачи на сеточную и подсеточную, что позволяет учесть особенности задачи на масштабах, меньших размера элемента сетки. В данной работе рассматриваются два многомасштабных метода: VMM-ASA (Variational Multiscale Method with Algebraic Sub-scale Approximation) и RFB (Residual-Free Bubbles) метод. В первом из них подсеточная задача аппроксимируется с использованием невязки сеточного уравнения и стабилизирующих параметров. Во втором подсеточная задача решается приближенно на основе аппроксимационных функций специального вида...
Уравнение конвекции-диффузии-реакции, стабилизированный метод конечных элементов, вариационный многомасштабный метод, осцилляции численного решения
Короткий адрес: https://sciup.org/143167072
IDR: 143167072 | УДК: 519.6 | DOI: 10.7242/1999-6691/2019.12.2.13
Variational multiscale finite element methods for a nonlinear convection-diffusion-reaction equation
This paper focuses on the development of finite element methods for solving a two-dimensional boundary value problem for a singularly perturbed time-dependent convection-diffusion-reaction equation. Solution to the problem can vary rapidly in thin layers. As a result, spurious oscillations in the solution occur if the standard Galerkin method is used. In multiscale finite element methods, the initial problem is split into grid-scale and subgrid-scale problems, which allows one to capture the features of the problem at a scale smaller than an element mesh size. In the study two methods are considered: VMM-ASA (Variational Multiscale Method with Algebraic Sub-scale Approximation) and RFB (Residual-Free Bubbles). In the first method, the subgrid problem is modeled by the residual of the grid equation and intrinsic time scales. In the second method, the subgrid problem is approximated by special functions. The grid and subgrid problems are formulated through a linearization procedure on the subgrid component applied to the initial problem...
Список литературы Вариационные многомасштабные методы конечных элементов для нелинейного уравнения конвекции-диффузии-реакции
- Азиз Х., Сеттари Э. Математическое моделирование пластовых систем. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 416 с.
- Костина А.А., Желнин М.С., Плехов О.А. Исследование особенностей движения нефти в пористой среде в процессе парогравитационного дренажа//Вестник Пермского научного центра. 2018. № 3. С. 6-16.
- Vilarrasa V., Olivella S., Carrera J., Rutqvist J. Long term impacts of cold CO2 injection on the caprock integrity//Int. J. Greenh. Gas Con. 2014. Vol. 24. P. 1-13.
- Zhou M.M., Meschke G. A three-phase thermo-hydro-mechanical finite element model for freezing soils//Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2013. Vol. 37. P. 3173-3193.
- Vitel M., Rouabhi A., Tijani M., Guérin F. Thermo-hydraulic modeling of artificial ground freezing: Application to an underground mine in fractured sandstone//Computers and Geotechnics. 2016. Vol. 75. P. 80-92.
- Chen W., Tan X., Yu H., Wu G., Jia S. A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media//JRMGE. 2009. Vol. 1. P. 31-40.
- Lin B., Chen S., Jin Y. Evaluation of reservoir deformation induced by water injection in SAGD wells considering formation anisotropy, heterogeneity and thermal effect//J. Petrol. Sci. Eng. 2017. Vol. 157. P. 767-779.
- Roos H.G., Stynes M., Tobiska L. Robust numerical methods for singularly perturbed differential equations: Convection-diffusion-reaction and flow problems. Springer, 2008. 628 p.
- Brooks A.N., Hughes T.J.R. Streamline upwind/Petrov-Galerkin formulations for convection dominated flows with particular emphasis on the incompressible Navier-Stokes equations//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1982. Vol. 32. P. 199-259.
- Hughes T.J.R., Mallet M. A new finite element formulation for computational fluid dynamics: III. The generalized streamline operator for multidimensional advective-diffusive systems // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1986. Vol. 58. P. 305-328.
- Bochev P.B., Gunzburger M.D., Shadid J.N. Stability of the SUPG finite element method for transient advection-diffusion problems//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2004. Vol. 193. P. 2301-2323.
- Burman E. Consistent SUPG-method for transient transport problems: Stability and convergence//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2010. Vol. 199. P. 1114-1123.
- Сальников Н.Н., Сирик С.В. Построение весовых функций метода Петрова-Галёркина для уравнений конвекции-диффузии-реакции в трехмерном случае//Кибернетика и системный анализ. 2014. Т. 50. № 5. С. 173-183.
- Hughes T.J.R., Franca L.P., Hulbert G.M. A new finite element formulation for computational fluid dynamics: VIII. The Galerkin-least-squares method for advective-diffusive equations // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1989. Vol. 73. P. 173-189.
- Franca L.P., Frey S.L., Hughes T.J.R. Stabilized finite element methods: I. Application to the advective-diffusive model // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1992. Vol. 95. P. 253-276.
- Codina R. Comparison of some finite element methods for solving the diffusion-convection-reaction equation//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1998. Vol. 156. P. 185-210.
- Xia K., Yao H. A Galerkin/least-square finite element formulation for nearly incompressible elasticity/stokes flow//Appl. Math. Model. 2007. Vol. 31. P. 513-529.
- Ranjan R., Feng Y., Chronopolous A.T. Augmented stabilized and Galerkin least squares formulations//J. Math. Res. 2016. Vol. 8. No. 6. P. 1-33.
- John V., Knobloch P. On the performance of SOLD methods for convection-diffusion problems with interior layers//Int. J. Comput. Sci. Math. 2007. Vol. 1. P. 245-258.
- John V., Knobloch P. On the choice of parameters in stabilization methods for convection-diffusion equations//Numerical Mathematics and Advanced Applications/Ed. K. Kunisch, G. Of, O. Steinbach. Springer, 2008. P. 297-304.
- John V., Schmeyer E. Finite element methods for time-dependent convection-diffusion-reaction equations with small diffusion//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2008. Vol. 198. P. 475-494.
- Hughes T.J.R., Feijóo G.R., Mazzei L., Quincy J.-B. The variational multiscale method -a paradigm for computational mechanics//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1998. Vol. 166. P. 3-24.
- Brezzi F., Hauke G., Marini L.D., Sangalli G. Link-cutting bubbles for the stabilization of convection-diffusion-reaction problems//Math. Model. Meth. Appl. Sci. 2003. Vol. 13. P. 445-461.
- Brezzi F., Marini L.D., Russo A. On the choice of a stabilizing subgrid for convection-diffusion problems//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2005. Vol. 194. P. 127-148.
- Juanes R. A variational multiscale finite element method for multiphase flow in porous media//Finite Elem. Anal. Des. 2005. Vol. 41. P. 763-777.
- Hughes T.J.R., Sangalli G. Variational multiscale analysis: the fine-scale Green’s function, projection, optimization, localization, and stabilized methods//SIAM J. Numer. Anal. 2007. Vol. 45. P. 539-557.
- Modirkhazeni S.M., Trelles J.P. Algebraic approximation of sub-grid scales for the variational multiscale modeling of transport problems//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2016. Vol. 306. P. 276-298.
- Sendur A., Nesliturk A., Kaya A. Applications of the pseudo residual-free bubbles to the stabilization of the convection-diffusion-reaction problems in 2D//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2014. Vol. 277. P. 154-179.
- Жуков В.Т., Новикова Н.Д., Страховская Л.Г., Федоренко Р.П., Феодоритова О.Б. Метод конечных суперэлементов в задачах конвекции-диффузии: Препр./ИПМ им. М.В. Келдыша. М., 2001. 17 c. (URL: http://keldysh.ru/papers/2001/prep8/prep2001_8.pdf)
- Masud A., Calderer R. A variational multiscale method for incompressible turbulent flows: Bubble functions and fine scale fields//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2011. Vol. 200. P. 2577-2593.
- Coley C., Evans J.A. Variational multiscale modeling with discontinuous subscales: analysis and application to scalar transport//Meccanica. 2018. Vol. 53. P. 1241-1269.
- Do Carmo E.G.D., Alvarez G.B. A new upwind function in stabilized finite element formulations, using linear and quadratic elements for scalar convection-diffusion problems//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2004. Vol. 193. P. 2383-2402.
- Hauke G. A simple subgrid scale stabilized method for the advection-diffusion-reaction equation//Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 2002. Vol. 191. P. 2925-2947.
- Ладыженская О.А., Солонников В.А., Уральцева Н.Н. Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа. М.: Наука, 1967. 736 с.
- Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. 351 с.
- Comsol Multiphysics 5.4. Reference Manual. 2018. 1622 p.