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二维纳维-斯托克斯方程速度-涡量方法的无条件长时间稳定性

Unconditional long-time stability of a velocity-vorticity method for the 2D Navier-Stokes equations

Clemson University(克莱姆森大学);University of Houston(休斯顿大学)

Timo Heister, Maxim A. Olshanskii, Leo G. Rebholz

AI总结:

本文证明了二维纳维-斯托克斯方程的一种速度-涡量离散化方法在长时间内的无条件稳定性,采用有限元方法空间离散和隐式-显式BDF2时间离散,无需时间步限制,且稳定性界仅与雷诺数呈多项式关系。

摘要:

我们证明了二维纳维-斯托克斯方程的一种特定速度-涡量离散化方法的无条件长时间稳定性。该方案首先利用拉姆矢量将常规的速度-压力系统与涡量动力学方程耦合,然后在空间上采用有限元方法离散,在时间上采用隐式-显式BDF2方法离散,每个时间步中涡量方程解耦。我们证明了该方法的涡量和速度在$ L^2$和$ H^1$范数下均具有长时间稳定性,无需任何时间步限制。此外,我们的分析避免了格隆沃尔型估计的使用,导致稳定性界仅与雷诺数呈多项式(而不是指数)关系。给出了数值实验以展示该方法的有效性。

英文摘要:

We prove unconditional long-time stability for a particular velocity-vorticity discretization of the 2D Navier-Stokes equations. The scheme begins with a formulation that uses the Lamb vector to couple the usual velocity-pressure system to the vorticity dynamics equation, and then discretizes with the finite element method in space and implicit-explicit BDF2 in time, with the vorticity equation decoupling at each time step. We prove the method's vorticity and velocity are both long-time stable in the $L^2$ and $H^1$ norms, without any timestep restriction. Moreover, our analysis avoids the use of Gronwall-type estimates, which leads us to stability bounds with only polynomial (instead of exponential) dependence on the Reynolds number. Numerical experiments are given that demonstrate the effectiveness of the method.

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来,可能存在错误,请以论文正文为准。

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