有限元和时间相关的不连续 Galerkin 的求积阶

计算科学 有限元 数值分析 正交 时间积分
2021-12-20 11:18:55

建立有限元系统时,您必须使用求积来计算积分。我无法理解要使用的订单规则。

我知道一些经验法则,例如使用 1D Hemholtz 你最终得到矩阵M+S, 在哪里Mij=(ϕi,ϕj)Sij=(ϕi,ϕj). 在这种情况下,如果ϕ是一个多项式n,那么积分在M学位意愿2n和积分S将有学位2(n1). 使用高斯有序规则n这里推荐,它集成了S确切地。

当在平流方程上使用 DG 时,“刚度”矩阵变为Sij=(ϕi,ϕj). 在这种情况下,我发现使用订单n高斯求积法则(仍应积分S确切地说)给了我一个奇异矩阵,并且我必须使用顺序规则n+1得到一个可逆矩阵。有什么方法可以事先知道要使用什么顺序规则,还是只是通过实验确定?

编辑:根据下面的评论,我在统一网格上使用带有朗朗日元素的 DG 来求解时间相关的平流方程ut+aux=0. 我在域上有周期性边界条件[0,2π]和初始条件u(x,0)=sin(x).

这是我第一次尝试自己编码 DG,所以我使用中心通量和反向欧拉作为时间步长。使用度数的基函数nΔt=hn+1, 解收敛到精确解L2规范为O(hn+1).

1个回答

由于您具有周期性边界条件,因此系统矩阵(由体积和通量项产生)不能具有满秩(固定方程的解仅在常数之前是唯一的)。因此,后向 Euler 步骤的适定性依赖于质量矩阵的可逆性(或者至少两个核只有一个平凡的交集)。

现在您可以相当容易地证明,如果求积是精确的,则质量矩阵将是正定的作为两个多项式的乘积n2n, 高斯求积n还不够,您至少需要订购n+1(正如您已经指出的那样)。

相反的并不那么明显,但是每个 Gauß 正交点都添加了一些“有限元民间传说”(至少在工程界)d(空间维度)到元素质量矩阵的秩,满秩等于每个元素的自由度数。在 1D 中,这是n+1,所以你需要n+1点。

通常,将最高阶项(即涉及最高阶导数的双线性形式的项)精确积分(忽略可变系数)就足够了,而表面项则使用高一阶积分,但如果最高阶阶项本身是不可逆的(例如,由于纯 Neumann 或周期性边界条件),您需要确保质量矩阵也完全积分。