曲线坐标系下Poisson方程的局部间断有限元方法研究

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本文着重探讨Poisson方程在在柱坐标系或球坐标系下的数值求解,使用的数值方法是局部间断有限元(Local Discontinuous Galerkin,简称LDG)方法,此时的Poisson方程系数在r=0处产生奇性。对Poisson方程的球对称或柱对称问题,我们设计了三种LDG格式,其中LDG方法I是工作的起点。方法I和方法II均基于变分等式的坐标变换,而仅仅在于检验函数空间的选取略有不同——方法I的检验函数空间为加权的分片多项式,而方法II的检验函数空间为普通的分片多项式。为克服系数奇性的困难,方法II在靠近零点的单元上,对检验函数空间加权处理,使得格式积分存在。方法III与前两者的区别仅仅在于辅助变量的选取方式,力图扩大可以数值求解的函数范围。我们还讨论了柱对称等二维问题的LDG方法,针对问题的特点将直角坐标系中的弱形式变换到不同的坐标系。本文进行了大量的数值实验,详细比较了各种格式的误差大小和收敛阶。数值实验表明LDG方法可以用于求解奇异系数椭圆问题,并得到满意的数值效果。当采用分片七次多项式求解光滑解时,原始变量的误差可以达到k+1阶,而辅助变量的误差也达到了k阶。同时,数值实验表明LDG方法也可用于求解非光滑解。
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