Равномерные по параметру многосеточные и итерационные методы тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Ольшанский Максим Александрович

Равномерные по параметру многосеточные и итерационные методы

01.01.07 - вычислительная математика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на механико-математическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Астраханцев Г П.

. доктор физико-математических наук, профессор Карамзин Ю.Н.

доктор физико-математических наук, профессор Крукиер Л.А.

I

Ведущая организация: Институт вычислительной математики

и математической геофизики СО РАН

Защита состоится {О2006г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.045.01 в Институте вычислительной математики РАН по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, ул. Губкина, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института вычислительной математики РАН.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

I

Г.А. Бочаров

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена анализу многосеточных и других итерационных методов, обладающих равномерной по параметрам оценкой скорости сходимости. Методы применяются для нахождения приближенного решения краевых задач, возникающих в вычислительной гидродинамике. Основные черты полученных результатов — построение устойчивых аппроксимаций методом конечных элементов и получение нетривиальных оценок сходимости итерационных методов на всем спектре физических и численных параметров, которые определяют дискретную задачу.

Актуальность тематики. История многосеточных методов берет свое начало с работ российских математиков Р.П.Федоренко (1964) и Н.С.Бахвалова (1966). Позже многосеточный метод был "открыт" заново в работах А.Брандта (1973, 1977) и В.Хакбуша (1976). В конце 70х годов метод получил широкое признание, и количество публикаций стало стремительно расти. Современная теория метода была заложена в начале 80-х годов. В 1985 году выходит монография В.Хакбуша со строгим изложением абстрактной теории многосеточных методов и описанием многих приложений. Теория и практика применения метода продолжает развиваться и пополняться. В то время как многосеточные методы стали обязательной составляющей в большинстве прикладных пакетов, и им посвящена огромная библиография, насчитывающая, в том числе, около десятка книг, в русскоязычной литературе им уделено относительно мало внимания. Из книг можно назвать только монографию В.В. Шайдурова (1988) и недавно опубликованную монографию (2]. Итерационные методы имеют более чем вековую историю - названия многих из них, например, Ньютона, Якоби, говорят за себя. К примеру, самому известному вариационному методу, сопряженных градиентов, в 2002 году исполнилось 50 лет.

Широкое использование многосеточных методов обусловлено их свойством оптимальности по числу неизвестных, входящих в систему алгебраических уравнений. В терминах сходимости итераций это свойство можно сформулировать как наличие нетривиальной оценки на показатель сходимости, не зависящей от размерности системы

(или от параметра дискретизации h в случае использования квазиравномерных сеток). Однако при использовании мпогосеточных методов для решения многих практических задач обнаруживается, что их скорость сходимости может сильно зависеть от значений физических и вычислительных параметров, определяющих систему, например, коэффициентов вязкости, диффузии, плотности, параметр ров стабилизации и других. При достижении этими параметрами некоторых значений метод может сходиться очень медленно или расходиться. Сказанное выше относится и к итерационным методам с переобуславливателями, построенными на основе многосеточных методов. На построение универсальных по параметрам итерационных методов для решения различных задач в последние десятилетия были направлены усилия многих инженеров и математиков. Универсальным по параметрам итерационным методом будем называть метод, обеспечивающий приемлемую сходимость при всех допустимых значениях физических и численных параметров, входящих в систему уравнений. В англоязычной литературе для обозначения этого свойства используется термин "robust" и его производные. Особенно трудным математическим вопросом считается анализ таких методов, т.е. доказательство равномерных оценок при тех или иных условиях на дифференциальную задачу и метод дискретизации. Среди множества работ в этом направлении отметим работы Вахвалова Н.С., Bramble J.H., Elman H.С., Hackbusch W., Кобелькова Г.М., Паль-цева Б.В., Pasciak J.E., Reusken A., Stevenson R., Xu J., Wittum G. Приведем в качестве одного примера изучаемый в диссертации пере-обуславливатель Каху-Шабата для обобщенной задачи Стокса, который был предложен в 1988 году. Несмотря на активное использование этого метода в расчетах несжимаемых вязких течений и большой интерес к данной тематике в научных кругах, вопрос получения равномерных оценок для него оставался открытым более 10 лет. Другим примером из диссертации может служить многосеточный метод для задачи конвекции-диффузии. Эти уравнения были рассмотрены одними из первых для приближенного решения многосеточным методом, и за последние 20 с лишним лет накопилось достаточно практического опыта, как это можно делать более или менее эф-

фективно. При доминировании конвекции, однако, с точки зрения математического анализа алгоритмов задача считается (по праву) настолько трудной, что среди множества публикаций можно выделить всего несколько работ, где получены равномерные оценки для простейших случаев.

В целом отметим, что несмотря па обширную библиографию, анализ многосеточных методов и переобуславливателей для несимметричных задач (исключая случай доминирования симметричной части) находится в зачаточном состоянии. Получения результатов для сильно несимметричных задач и составляет основу диссертации.

В качестве метода дискретизации в диссертации используется метод конечных элементов, как широко используемый в реальных приложениях и допускающий математический анализ на основе вариационных принципов. Стоит признать, что не любое уравнение в частных производных можно на сегодняшний день эффективно численно решить, используя метод конечных элементов и многосеточный метод. Однако для многих уравнения, имеющих физический подтекст, такой подход эффективен. В диссертации идет речь о применении многосеточного метода (вместе с переобусловленными итерационными методами) к решению ряда задач, возникающих на практике, например, в гидродинамике и моделировании тепло-массопереноса.

Целью исследования является разработка и изучение итерационных методов, сходимость которых остается достаточно высокой при любых допустимых значениях физических и численных параметров, входящих в систему уравнений, а также получение оценок устойчивости для соответствующих дискретных систем. Главным требованием к теоретической части исследования является строгое доказательство нетривиальных оценок на показатели сходимости итерационных методов, не зависящих от численных и физических параметров системы, а также получение оценок устойчивости и сходимости метода конечных элементов с анализом явной зависимости от данных параметров.

Методология исследования. Доказательство сходимости многосеточных методов основано на свойствах аппроксимации и сглаживания. Эти алгебраические свойства требуют различной техники дока-

зательства. Свойство сглаживания доказывается с помощью средств линейной алгебры, а свойство аппроксимации следует из утверждений о сходимости метода конечных элементов. Доказательство этих утверждений, в свою очередь, существенно базируется на априорных оценках для решений дифференциальных задач, в том числе на оценках вторых производных решений. В общем случае подобные оценки известны. Однако, имея целью доказательство равномерной сходимости итерационных методов, в диссертации находится в явном виде зависимость "констант" из априорных оценок от физических параметров, входящих в постановку дифференциальных задач. Более того, в оценках сходимости метода конечных элементов так же требуется получить зависимость констант от этих параметров, причем в большинстве случаев - оптимальную по порядку. Для достижения этих целей используются средства функционального анализа и теории аппроксимации. Численные эксперименты служат для получения практической информации об исследуемых методах.

Достоверность, научная новизна. Достоверность работы основана на изложении материала в виде последовательности лемм и теорем, иллюстрации теоретического материала результатами численных экспериментов. В диссертации уделяется большое внимание обзору известных результатов для каждой конкретной задачи, их связи с полученными результатами, а также отслеживается соответствие доказанных оценок экспериментальному опыту, в том числе, накопленному в работах других авторов.

Научную новизну работы составляет анализ многосеточных методов для систем линейных алгебраических уравнений с доминирующими косо-симметрическими членами; доказательство равномерных по параметрам оценок сходимости для уравнений конвекции-диффузии и системы с косо-симметрической реакцией. При этом, в отличии от работ других авторов, не накладывается ограничений на шаг самой грубой сетки, а арифметическая сложность одной итерации остается оптимальной. Впервые проводится исследование консервативной (квази-)линеаризации уравнений Навье-Стокса в вихревой форме. Построение эффективных итерационных методов и оценок сходимости устойчивых методов конечных элементов для таких

систем также проводится впервые. Новым является доказательство равномерных по параметру оценок для метода Каху-Шабата для обобщенной задачи Стокса в областях, допускающих II2 регулярность задачи Пуассона. Этот метод был предложен в 1988 году, но вопрос получения равномерных оценок долго оставался открытым. Не исследовалась ранее задача Стокса с интерфейсом, возникающая в моделях двух-фазных течений. Для этой задачи исследуется устойчивость метода конечных элементов, строятся равномерные по скачку в коэффициенте вязкости переобусловливатели, доказываются априорные оценки. Доказываются новые оценки сходимости стабилизированных методов конечных элементов для (квази-) линеаризированных уравнений Навье-Стокса для несжимаемых сред.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость заключается в развитии математического аппарата анализа сходимости многосеточных методов для задач с доминирующей косо-симметрической частью; в разработке методов построения переобу-славливателей нелокальных операторов окаймления для седловых задач, основанных на свойствах аппроксимируемых систем дифференциальных уравнений; в развитии теории стабилизированных методов конечных элементов для задач динамики жидкости.

Практическая ценность состоит в том, что результаты диссертации закладывают твердую математическую основу для геометрических многосеточных методов, широко используемых в прикладных программных пакетах для моделирования процессов тепло-массопе-реноса; позволяют лучше понять потенциал и ограничения применения таких методов. Равномерные по параметрам итерационные методы, предложенные и исследованные в настоящей работе, могут служить составной частью программных продуктов для моделирования ламинарных, турбулентных, двухфазных течений жидкости и других процессов механики сплошной среды, где требуется проводить расчеты в широком диапазоне физических параметров. Численные методы для уравнений Навье-Стокса с нелинейными членами в вихревой форме важны для использования методов аппроксимации, удовлетворяющих законам сохранения базовых инвариантов: энергии и завихренности потока жидкости, а также для расчетов течений

с учетом Кориолисовых сил.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались автором: на международной конференции "Математические идеи П.Л.Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания " (Обнинск, 2006), на международной конференции "Computational Methods for Multidimensional Flows" (Гейдельберг, 2005), на Российко-Голландском семинаре "Robust numerical methods for singular-perturbed problems" (Москва, 2005), Ежегодной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 2005), на 13-ой международной конференции "European Conference on Mathematics for Industry" (Эйндховен, 2004), на 4-ой и 7-ой международных конференциях "European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering" (Афины 1998, Ювяскюла 2004), на международных конференциях им. Петровского "Дифференциальные уравнения и смежные вопросы" (Москва 2001 и 2004), на 2-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой международных конференциях "European Conference on Numerical Mathematics and Advanced Applications" (Гейдельберг 1997, Ювяскюла 1999, Искья 2001, Прага 2003), 2-ой международной конференции "Second M.I.T. Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics" (Бостон, 2003), 8-ой международной конференции "Уравнения Навье-Стокса и приложения" (С.-Петербург, 2002), Международном Математическом Конгрессе (Берлин, 1998), Российско-Голландском семинаре 'Robust numerical solution methods for convection- diffusion and Navier-Stokes equations' (Амстердам-Наймеген, 1998), на международной конференции "Preconditioned Iterative Solution Methods for Large Scale Problems in Scientific Computations" (Наймеген, 1997), на научно-исследовательских семинарах Института вычислительной математики РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Вычислительного Центра РАН, кафедры вычислительной математики мех.-мат. ф-та. МГУ, университетов Марилэнда, Эмори, Вандербилт, Дортмунда, Гейдельберга, Ахена, Линца, Геттингена, Технического Университета Джорджии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 1 монография, 16 публикаций в рецензируемых журналах, 4 публикации в материалах конференций.

Личный вклад автора. Вклад автора в совместные работы заключался: в формировании постановки проблемы [2,6,10,11,16], идеи решения [1,2,6,7,10,11,12,15], теоретическом обосновании [1,5,7,15,16], совместном теоретическом обосновании [4, 6, 10, 11, 12, 13, 14], постановке и анализе численных экспериментов [4,6,10,13,15,16].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст работы изложен на 285 страницах, содержит библиографию из 188 наименований, 19 рисунков и 36 таблиц.

Содержание диссертации

Во введении дается понятие универсальных по параметрам итерационных методов, обосновывается актуальность построения и исследования таких методов, формулируются задачи математической физики, для которых разрабатываются универсальные по параметрам многосеточные и переобусловленные итерационные методы; проводится обзор известных результатов и подходов к решению поставленных задач, обсуждается ценность полученных результатов и новизна предлагаемых методов.

Главы 1 и 2 содержат анализ дифференциальных задач и метода конечных элементов, соответственно. Итерационным методам и анализу сходимости посвящена глава 3. Отметим, что материал второй и третей главы не только представляет самостоятельный интерес, но также необходим для целей главы 3.

В главе 1, состоящей из семи разделов, проводится исследование дифференциальных задач. В разделе 1.1 рассматривается задача реакции-диффузии:

—еД и + d(x) и = f в iî,

ч = 0 на йй.

Для задачи (1) доказываются априорные оценки на L2 нормы первых и вторых производных решения. В разделе 1.2 рассматриваются уравнения конвекции-диффузии:

-еДи + a-Vu = / вП:=(0,1)2, и = 0 на дП.

Рассматривается случай а = (1,0), а также задача с условиями Неймана на границе вытекания. Для задачи (2) доказываются оценки специальных норм решения и норм первых и вторых производных решения. Изучается их зависимость от е. Для задачи с условиями Неймана на границе вытекания доказывается следующий результат: Теорема 1.1 Пусть / е L,2(f2), и - решение задачи конвекции-диффузии с а = (1,0) и коэффициентом диффузии Sk > е вдоль линий тока, тогда существует константа с, не зависящая от £к и е такая, что

с 11/11, сЦ/||, с||/||,

с!1Л|2,

где Гvf - граница втекания, Ге ~ граница вытекания. Здесь и далее || • || обозначает норму в L2. Более того, если ф € 1^(0,1) такая, что 0 < -£кфх < ф, и || • \\ф ||<?!>* • ||, || • ||_0Х := ||(-фх)? ■ ||, то решение удовлетворяет оценкам

\Ы\ф < 2II/IU

£кф{0) / uldy < II/IIJ

Jrw

{ыи.+^Ыф < (ФМ-

В теореме 2.1 подобные оценки доказываются для задачи с условиями Дирихле на границе вытекания. Из этих теорем получаются следствия 1.1 и 1.2 об оценках зависимости решений вверх по течению от / и об оценках решений вдали от Г еВ разделе 1.3 изучается система уравнений:

NI + KII <

V^IKII <

Efc|Kx|| + \/^|Uxy||+e|KJl <

/ U2dy + £k uldy + £ uldy <

JrE JVw JvE

—еДи + w x и + au = f в О,

и = 0 на dfl,

и

Далее будет показано, что эта система возникает как вспомогательная при использовании (полу-)неявных схем для уравнений Навье-Стокса с нелинейными членами в вихревой форме, и w = curlv, где v - известное поле скоростей. Заметим, что слагаемое w х и в системе (3) можно интерпретировать как косо-симметрическую реакцию. В диссертации детально разобран случай П С К2, для которого curlv -скалярная функция, которую мы обозначим через w w, a w х и -вектор-функция (—мщ, wui). Для задачи (3) доказываются априорные оценки на L2 нормы первых и вторых производных решения. Изучается их зависимость от е, ||w|| и а. Пусть fi выбрана так, что для правой части из L,2(fi) решение однородной задачи Дирихле для уравнения Пуассона принадлежит H2(ii). Это условие будем обозначать, как (Н2) условие. В формулировках теорем об априорных оценках для задачи (3), о сходимости метода конечных элементов и многосеточного метода для нее будут использоваться следующие три предположения. Пусть w е Loo(il) и cw := ess info |u>|. (А1) Условие (А1) выполнено, если а + cw > 0 и

а + cw

(А2) Условие (А2) выполнено, если

w(x) > 0 п.в. в J7 или м;(х) < 0 п.в. в Г2.

(A3) Условие (A3) выполнено, если Vio € L9(il)2 для некоторого q > 2 и

IIVHU, <<?1М1=о-

Если w - функция из конечно-элементного пространства, то С предполагается независимым от h. Доказана

Теорема 1.3 Пусть f 6 L^ii), u 6 Hg - обобщенное решение задачи (3). Тогда и принадлежит H2(i7), и справедливы оценки

£||Vu||2+a||u||2 < c(e,a)||f||2, е2||и||| + С£||и,хи||а < 2Cj,(4 + 2c(£,a)2|MQ||f||2

с2

с константами Ср из оценки Ц11Ц2 < Ср||Ди||, с(е, а) = е+(4га и Ср из неравенства Фридрихса. Если дополнительно выполнены условия (А1) и (АЗ), то

еЦи\\22 + £(И|оо + + а2||и||2 + ||ш х и||2 < Ср||2

с константой С, не зависящей от {, £, а, и -ш. Затем в лемме 4.1 доказываются оценки непрерывности для билинейной формы вариационной постановки задачи.

В разделе 1.4 рассматривается система обобщенных уравнений Стокса:

—еЛи + аи + \7р = £ в Г2, —сНу и = 0 в Г2,

(4)

ulan — °> pdx = О,

Jfi

Для системы (4) доказывается равномерная по е спектральная эквивалентность дополнения Шура, Ао —div (—£A+ct)5'1V (оператора окаймления для давления), и специального переобуславливателя в случае достаточно произвольных двух- и трехмерных областей. Для этих целей доказывается

Теорема 1.4 Пусть п - внешняя нормаль к dCl, Ai - дополнение Шура для (4) с краевыми условиями u-n = 0, curluxn = О (в двумерном случае u-n = curl и = 0). Для произвольного р € положим

q = А\р. Тогдар = eq — ar, где г := Л^д - решение задачи Неймана

дг

= 0.

an

Теорема позволяет записать 1 = е / — а Ддг1. Лемма 1.10 доказывает обобщенное неравенство Нечаса в случае выполнения условия (Н2). На основе этой леммы доказывается

Теорема 1.5 Существует константа с(Г2) > 0, не зависящая от е и а такая, что

с(Г2)Л1 < А0 < Ль

Далее изучается обобщенная задача Стокса со стабилизирующей добавкой £(сПу и, сНу у) в вариационной постановке задачи (т.н. УсЦу стабилизация). В теореме 1.8 доказываются оценки на показатель обусловленности задачи С (у, Г), определяемый как отношение констант непрерывности, Г, и тГэир устойчивости, у, для билинейной формы задачи с седловой точкой. Для задачи (4) эти оценки даны в Теореме 1.9 Справедливы оценки

С(ъТ)<4(^1)т^е+^}, если а = 1, (6) w ' 4 пип{1,

где со - константа из неравенства Нечаса.

Далее в следствии 1.3 анализируется влияние УсНу стабилизации па обусловленность непрерывной задачи.

При моделировании двух-фазных течений возникает необходимость в решении следующей модельной задачи, которая рассматривается в разделе 1.5:

-сКу (г/(х)Би) + Ур = { в П,

<Иу и = 0 в П, (7)

и = 0 на дП,

с кусочно-постоянной вязкостью:

в

> 0 в

На интерфейсе (границе между подобластями), <ЗГ2х П дО.2, задаются условия непрерывности поля скоростей и нормальной составляющей тензора напряжений. Для анализа задачи оказалось необходимым ввести пространство для давления с нестандартной факторизацией М :== {р € Ьг(П) | /[гР~1р(х) с1х = 0} и весовой нормой (Р>я)м /л РЯ<1х. В пространстве для скоростей вводится норма ||и||„ := (^Уи, Уи) £. Доказан следующий результат, обобщающий

неравенство Нечаса на случай разрывного коэффициента: Теорема 1.10 Пусть г = 1,2 липшецевы области, тогда существует константа С > 0, не зависящая от е такая, что

sup (d'v"'p) > с\\р\\м VpeM u6H' lluIU

Этот результат является ключевым для априорных оценок для решений (7), доказанных далее в разделе 1.5.

В разделе 1.6 рассматриваются неявные схемы для уравнения Навье-Стокса несживаемой вязкой жидкости. Приводятся необходимые в дальнейшем оценки нелинейных членов уравнений. В разделе 1.7 рассматриваются две системы, которые возникают при (квази-)линеаризации уравнений Навье-Стокса в вихревой и конвективной формах.

—^Ди + w х и + аи + VP = f в fi

div и = 0 в Q,

—i/Ди + a • Vu + аи + Vp = f в !Г2

div и = 0 в П.

(8)

О)

Система (8) возникает благодаря равенству (и-У)и = (сиг1и) х u-|-V(:§-)1 замене кинетического давления в системе Навье-Стокса на давление Вернули Р = р+ У(Нг), и дальнейшей линеазации задачи с сохранением фундаментальной оценки:

||и(оп2+2^ /'цуи(5)ц2^< ||и0||2+2 [*тм*))*>.

Jo J о

Системы (8), (9) дополняются краевыми и интегральными условиями. Для решений систем доказаны априорные оценки. Далее теорема 1.11 доказывает оценки спектрального типа для дополнения Шура систем (8) и (9).

В главе 2, состоящей из семи разделов, изучаются устойчивые методы конечных элементов для задач из главы 1. Если не сделано

других предположений, то предполагается заданным семейство квазиравномерных триангуляций Г2 с параметром разбиения к.

В разделе 2.1 для уравнений реакции-диффузии доказываются оценки сходимости метода конечных элементов, В разделе 2.2 для уравнения конвекции-диффузии рассматривается метод конечных элементов с численной диффузией вдоль потока для семейства конечно-элементных пространств У^:

(е+5лЛ)((г1л)Яг,«я)+е((ил)5„1;|/) + ((ил)х,и) = (/,у+5фьх) Уи е V/,. Стабилизационный параметр определяется следующим образом:

¡5/, = 5 если ~ > 1, иначе ¿и = О,

5 6 [3,1]. Рассматривается случай доминирующей конвекции: 2г < К. В этом разделе предполагается равномерная северо-восточная триангуляция области. В § 2.2.3 приводятся доказательства априорных оценок для решения дискретной задачи и оценок решения вдали от границы вытекания. Получаемые оценки аналогичны результатам из теоремы 1.1 для решений дифференциальной задачи. В § 2.2.4 доказываются оценки сходимости метода конечных элементов. Для их формулировки нам понадобятся следующие обозначения: := {(х,у) €П | ® < 4|Ъ52/1|М, ■= {(х,у) € Щх < 1 - 3|1о8зЬ|Ь}. В Лемме 2.3 доказываются оценки:

НСи-иь)*^^.) < с || Д ||

¡|(«-ил)у||ь2(п^е) < с^ЦДЦ.

В Лемме 2.6 доказывается следующий результат: пусть правая часть 1к € У и равна нулю в Од', тогда справедлива оценка

Ъ?

Ии-илИ^п^.) <С-^||Д||.

Оба результата оказываются неулучшаемыми в следующем смысле. В первом случае нельзя заменить норму || • И^п^™«) на глобальную

Ь2-норму, а во втором нельзя отказаться от условия равенства нулю Д в части области приграничной к Г\у- Оба эти эффекта проиллюстрированы численными экспериментами.

В разделе 2.3 для системы уравнений (3) доказывается устойчивость дискретной задачи при малой вязкости. Введем на Но норму, зависящую от параметра:

НМПт = (^и||2 + а|Н2 + дЧЬ х и||2) 1, т > 0.

Доказаны две теоремы о сходимости метода конечных элементов. Теорема 2.2 Пусть выполнены условия (А1) и (А2). Если К < 2е и И < 2а, также предполагаем выполнение условия (АЗ). Найдется т е {0,1], не зависящее от £, а, ги, и и к, такое, что выполняются следующие неравенства

Ши-илШт + («4 + И|£)Н|у) , У = 0,1,

111и-щЦ1г<СгА(е* + (а1 + 1Н11)/1)ЦиЦя.

Константы СТ не зависят от е, а, из, и и Л.

Теорема 2.3 Предположим выполнение условий (А1), (А2), (АЗ).

Для произвольного { € имеем оценку сходимости в 1/2 норме

с некоторой константой С, не зависящей от е, а, и», Л и В конце раздела оценки сходимости иллюстируются результатами численных экспериментов. Показывается, что необходимость условий (А1) — (АЗ) в предположениях теорем вызваны существом дела.

В разделе 2.4 для обобщенной системы Стокса изучаются устойчивые дискретизации. Здесь и далее в главе сетки могут иметь локальные сгущения. Доказываются оценки сходимости метода конечных элементов с использованием УсИу стабилизации. В частности, в теоремах 2.5, 2.6 доказывается следующий результат.

Рассмотрим норму |||и,р||| = (е||Уи||2 + а||и||2 + £||&уи||2 + ||р||2) *. Имеет место оценка сходимости метода конечных элементов:

1|и-ил>Р-Рл||| < (1 +С) шш |||u-vЛ1p-qЛ|

где

С < —*-(у5 + 1г-7-т--. Г —если а = 1 ,

г<3е Ср - константа из неравенства Фридрихса, а /3 - константа из у словил Ладыженской-Бабушки-Бреци (ЬВВ). Далее в разделе изучается эффект выбора £ > 0 на качество приближения. Приводится численная иллюстрация результатов раздела.

В разделе 2.5 для задачи Стокса с интерфейсом доказывается универсальное тГэир-условис устойчивости. Выводятся оценки для дискретного решения, доказываются оценки сходимости метода конечных элементов. Здесь предполагается согласованность Тн с разбиением области па подобласти Ох, ГЬ, а именно

Э Т^аТн : и{Т\Т£7Р}=1и, ¿=1,2.

Для того ввести следующие

чтобы сформулировать основной результат, необходимо едующие обозначенияр = {|Г21|-1 на — £|Г22|-1 наПг}

„ \\Р-Ян\\м

«„ем* ||р||м

Значение цн характеризует "качество", с которым можно приблизить р в пространстве конечно-элементных функций. Заметим, что = 0, если Мь содержит кусочно-постоянные функции. В общем случае ць. < сН? с некоторой константой с, не зависящей от е, К — максимальный диаметр элементов триангуляции 7/м имеющих общие точки с интерфейсом. Предположим выполнение ЬВВ условия.

Следующая теорема является основным результатом раздела. Теорема 2.6 Существуют константы С\ > 0 и С^ > 0, не зависящие от е и h такие, что справедливо следующее утверждение:

если fih < Ci тогда (10)

sup (dfriih.Pfc) ^ C2|bh|lM v e

uh6Vh llUfcll«/

Заметим, что, в силу сказанного выше, условие (10) не является обременительным. Далее доказывается оптимальная оценка сходимости в норме |||и,р||| = (||u|ß + HpIIm)5 ■

Теорема 2.7 Предположим, что условие (10) выполнено. Тогда существует константа С, не зависящая от hue такая, что выполняется оценка

|||и- Uh,p-p/,||| < с min min |||и - vh,p - ^Щ.

f в ft, g в О, О на öft

(И)

рассматривается стабилизированный метод конечных элементов: найти Uh — {ид,Ph.} такую, что

ah(Uh,Vh) = fh(Vh) VVh = {vh,qh},

где

ah(U,V) :=. a(C/,V') + ^(Crdivu,divv)T

Г

+ ]Г(£(<7),<£(a ■ V)v + <5?w x v + ¿?V<7)T,

T

Д(У) .:= (f, V) + ((iTfl> div v)T.+ (f, а• V)v + 5?w x v + <5?V<?)r).

VfcfcVft qhbm.k

В разделе 2.6 для системы типа Осеена

£({/):= -1/Дц + ои+ (а- V)u + w х u + Vp =

div и = и =

Здесь a(U, V) - билинейная форма метода Галеркина для (11). Отметим, что а — 0 или w = 0 приводит к линеаризованным уравнениям в вихревой и конвективной форме, соответственно; случай, когда a^Oiiw - постоянный вектор, соответствует конвективной форме с учетом Кориолисовых сил. Далее понадобятся константы fip из обратных неравенств на элементе триангуляции

IIAvfclIr < /iufcrMlVvhlIr, HVçhlIr < ^ГЧЫг

Сначала для метода без стабилизации давления, т.е. if = 0, и в случае выполнения LBB условия доказывается оценка устойчивости метода конечных элементов, изучается сходимость Теорема 2.8 Пусть 5Т = <5* = 6? и выполнено условие

где Na = v/^+v^^f+ (llalloo + C,F||w||00)Длл ошибки Eh = {u — Uh,p — Ph} имеет место оценка

\\Eh\\l < + A£A?|uft1+l(T))

T

в норме \\V\\l = \[V}\l+<Ta\\q\\2,

\W]\l = H|Vv||2 + a||v||2 + ]T (^||divv||2r + <5. || (a ■ V)v + w x v||2) ,

r

где aa = ^¡32N~2, k>0ul>0- степени конечно-элементных аппроксимаций для pu и, соответственно. Для частного случая квазиравномерной сетки доказана Теорема 2.9 Предположим, что Qh состоит из кусочно-постоянных функций и 5Т ~ ôa = !i2[u(l + Re/, + Ek^1 + D/i)]-1, где Re^ = ML^, Ek^1 = = = 0(l),aa < 02N~2.

Предположим, что выполняется (H2) и LBB-условие. Тогда справедлива оценка сходимости:

IlSh 112 < С{1 + и{ 1 + Re* + Ek^1 + Dfc) + <г}/*2(||и|Ц + |p|2).

Также для случая квазиравномерной сетки в Лемме 2.15 доказывается модифицированное LBB условие:

Предположим, что Q^ с Н1(П) и выполняется (Н2) и ЬВВ-условие. Тогда выполняется следующее inf-sup условие:

. (divuh,Ph) . п /10Ч

mf sup , ' > Pi > о, (12)

р/,6Qi.uhevfc ИVpftlljluhll

где pi не зависит от h.

На основе (12) доказываются оценки сходимости для (11) с w = 0. Теорема 2.10 Предположим, что выполняется (Н2), ЬВВ-условие и Qы С U1(il), а масштабирование уравнений такое, что |j а}[ оо i • Пусть параметры

&T~hl/(i, <ra~h2 (13)

удовлетворяют условию

с 2 ^ с. л^-г ^ Г + hi т 1 t ^ <£, 0<i7<min(-щ-

Тогда справедлива равномерная оценка llSfcll» < (h?h+V\p\2Hk+4T) + Л2г'|и|2н1+1(т)) , С ф C{h,v,a).

Т

Далее в разделе рассматривается метод со стабилизацией давления, т.е. ф 0. Метод может использоваться для любых, в том числе LBB-неустойчивых, аппроксимаций р и и. Доказывается оценка устойчивости схемы, изучается сходимость и выбор параметров. Теорема 2.11 Положим

6Т ~ hi [1/(1 + ReT + Ek^1 + Dr)]~\ fT ~ z/(l + Rer + Ek^1 + DT).

При выборе параметров: 5T = 5* = 5™ = 5? справедлива оценка сходимости

< c{^(i/-1(l + Rer + Ek;1+Dr)-1+<Tb)^(fc+1)|p|b+4r)

т

+ (К1 + Rer + Ek-1 + DT)) A«|u&1+1(r)}

в норме 111412 = +°ь\М2, где аь = cN^2, Nb = +

(NU + CFllwllooJCFf-i,

\[V}\1 = ИГVv||4a||v||2+^ (eT||div v||2+5t Ц(а • V)v + w x v + V<?||2 )

r

Для частного случая LBB устойчивых аппроксимаций (в этом случае типичным является соотношение I = к +1) оптимальным может стать выбор параметров, как показано в следующей теореме. Теорема 2.11 Предположим w = Ou зададим масштабирование уравнений такое, что ЦаЦоо = O(l). Для стабилизированного метода конечных элементов с параметрами

имеет место оценка для ошибки

Т

Далее в разделе теория иллюстрируется примерами расчетов. В частности, эксперементально было установлено, что для гладких решений не только |[ • ||ь, но и || • ||^г норма ошибки равномерно ограничена по v,

В разделе 2.7 для системы Навье-Стокса и в конвективной, и в вихревой форме приводится пример дискретизации и примеры расчетов для задачи о движущейся каверне и задачи о течении за ступенькой.

В главе 3, состоящей из восьми разделов, анализируются итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, возникающих при дискретизации уравнений из главы 1 с помощью метода конечных элементов. При анализе многосеточных методов предполагается, что задана система вложенных конечно-элементных пространств

Vo с Vx С • • ■ с С • • ■ с V, с н5(П)

с квазиравномерными сетками и кусочно-полиномиальными, степени не выше г, функциями Ук еУк- Соответствующий параметр дискретизации удовлетворяет условию: со2~к < < с\2~к, константы со, сх не зависят от к.

Ниже через Мк{и 1,1*2) обозначается матрица итераций многосеточного метода на к-ом сеточном уровне, если на каждом уровне используется предсглаживающих и постсглаживающих итераций.

В разделе 3.1 дается формальное определение геометрических многосеточных методов. Доказывается несколько вспомогательных результатов из линейной алгебры. В разделе 3.2 для уравнений реакции-диффузии доказывается, что геометрический многосеточный метод с каноническими операторами перехода с сетки на сетку является универсальным по параметрам, т.е. его показатель сходимости ограничен сверху некоторой константой меньше единицы, и не зависящей от /г и е:

Теорема 3.4 Для любого ф € (0,1) существует и0 > 0, не зависящее от кие, такое, что для матрицы итераций -цикла со сглаживаниями Якоби с параметрам или симметричными Гаусса-Зейделя справедливо

\\Мк(и,0)\\<ф VI/ > щ.

Теорема 3.5 Для матрицы итераций У-цикла со сглаживаниями Якоби с параметром или симльетричными Гаусса-Зейделя справедливо

с константой С а, не зависящей от кие.

В разделе 3.3 для уравнений конвекции-диффузии доказывается универсальная по параметрам сходимость \У-цикла (т.е. показатель сходимости ограничен сверху некоторой константой меньше единицы, не зависящей от 1г и е) для устойчивой конечно-элементной аппроксимации задачи, с использованием равномерного измельчения сетки и специальных блочных сглаживающих итераций. Анализ

строится на основе нового свойства аппроксимации, ранее не встречавшегося в литературе по многосеточным методам, и нового свойства сглаживающих итераций, по быстрому подавлению ошибки около границы втекания. Эти свойства, также как и более трационное свойство сглаживания, формулируются и доказываются. Для задачи с условиями Дирихле на границе вытекания доказывается Теорема 3.8 Пусть выполняются условия на количество сглаживающих итераций на k-ом уровне:

"к > Срок, ßk > срг fc4, к> ко

с подходящими константами Cp0i Cprj ко. Спразедлиоа следующая оценка нормы матрицы итераций W-хщкла:

\\Мк\\АтА<С

с константой < 1, не зависящей от к и е. Константы сро,срг и ко так же не зависят от кие.

При рассмотрении случая условий Неймана на границе вытекания условие на число предсглаживаний имеет вид г/к > Ср0 и исчезает условие на ко- Заметим, что теория требует логарифмического роста числа сглаживаний при измельчении сетки, однако на практике необходимость такого увеличения не отмечена. В конце раздела приводятся примеры расчетов.

В разделе 3.4 для системы (3) в двухмерном случае приводится доказательство оценки сходимости W-цикла многосеточного метода, не зависящей от е, ||w||, h и а. Сначала доказывается свойство аппроксимции, потом доказывается свойство сглаживания. В качестве сглаживающих итераций используется блочный метод Якоби с блоками 2x2, учитывающими косо-симметрическую часть матрицы системы уравнений. Доказывается результат о сходимости: Теорема 3.11 Предположим выполнение условий (AI) - (A3), тогда для любого ф 6 (0,1) существует i>o > 0, не зависящее от параметров задачи е, а и сеточного уровня к, такое, что для матрицы итераций W-цикла получаем

||Mfc(i/,0)|| < V Vi/ > üo-

В конце раздела приводятся примеры расчетов.

В разделе 3.5 для обобщенной системы Стокса рассматриваются несколько блочно-переобусловленных итерационных методов. Сначала описываются используемые методы: метод Узавы, неточный метод Узавы, метод MINRES с блочно-диагональным переобу-славлевателем. Затем обсуждаются два переобуславливателя для дополнения Шура: масштабированная матрица масс для пространства давления и переобуславливатель Каху-Шабата. Равномерные оценки для переобуславливателя Каху-Шабата доказаны в разделе 1.5 на дифференциальном уровне. Для случая матрицы масс оценки спектральной эквивалентности доказаны в лемме 3.22, где показано влияние Vdiv стабилизации на отношение констант эквивалентности. В конце раздела приводятся численные примеры.

В разделе 3.6 для задачи Стокса с интерфейсом в качестве переобуславливателя для оператора окаймления для давления предложена матрица масс относительно скалярного произведения с весом, (i/-1-, •), в пространстве конечно-элементных функций давления Q/j. Она обозначена через Ми. Доказана

Теорема 3.11 Предположим, что выполнено условие (10) и П 6 Rd, тогда для всех у € (М^е)-1, где е - вектор, все элементы которого равны, 1, справедливы неравенства

Cl{Mvу,у) < (Sy,у) <<1{Й„у,у) с константой Ci, не зависящей от hue.

Из теоремы следует, что спектральное число обусловленности матрицы M~lS равномерно ограничено на подпространстве (М^е)^. Для эффективного вычисления в лемме 3.25 доказано, что Ми равномерно спектрально эквивалентна диагональной матрице, с элементами, составленными из сумм элементов матрицы М„ по соответствующей строке. В сочетании с известными результатами о равномерной по параметру сходимости многосеточного метода для задачи типа Пуассона со скачком в коэффициенте диффузии это позволило построить блочные итерационные методы для решения (7), обладающие свойством универсальности по £ и h. В конце раздела даются примеры расчетов для модельной трехмерной задачи.

В разделе 3.7 рассматриваются переобусловленные методы для системы типа Осеена (8). Предложен переобуславливатель дополнения Шура вихревой формы уравнений. Для того, чтобы определить этот переобуславливатель на дифференциальном уровне, рассмотрим задачу

(£(х)Ур) = Р в Л, ^^п, =0, на (14)

где 0(х) = {^(х)}, — 1,... ,(1 - матрица "диффузии", которая в терминах а и имеет вид

• 2 Б

£(х)= 21- ° (15)

сИ + у/2 аг +

• ЗБ

д(х)= (/ + а~2(чу ® лу)) — ° (угх). (16)

а2 + 4 аг +

I - единичная матрица, обозначение ® w) используется для матрицы с элементами равными гиДх)и^(х), (\ух) обозначает матрицу векторного произведения с w:

/ п — N / 0 ~и'3 102

2В : (шх) = ( ^ ¿М , ЗБ : = и>3 0 -«л

^ ' \ —1У2 О

Обозначим через £(\у) 1 : ^(Л) —> И1 (Г2) П ¡[^(П) разрешающий задачу (14) оператор. В диссертации оператор

= + (17)

предложен в качестве переобуславливателя для дополнения Шура системы (8), которое обозначим через 5. Дается мотивация такого выбора. С одной стороны, в случае когда можно пренебречь косо-симметрическими членами, новый переобуславливатель совпадает с

оптимальны vl — аД^1. С другой стороны, если члены диффузии не имеют существенного глобального влияния, то L(w) снова близок к S. Далее в диссертации проводится анализ переобуславливателя с использованием рядов Фурье в модельном случае w = w = const для периодической задачи в R2. Этот анализ дает основания полагать, что выбор Qs в (17) подходит и для промежуточных ситуаций. В частности, устанавливается следующий факт. Если обозначить £ = w/a, то переобуславливатель Qgl(w) дает следующее улучшение по сравнению с известным <Э^1(0) при ( оо и с < 1:

cond(Qs(w)-1Si) ~ 1 + О(0, cond(Qs(0)-15) ~ l + O«2).

В этом же подразделе с помощью анализа Фурье изучается влияние Vdiv стабилизации на число обусловленности переобусловленного дополнения Шура и на распределение собственных значений.

Из построенного оператора Qs(w) и многосеточного метода для задачи (3) формируется блочно-треугольный переобуславливатель для всей системы (8). Приводятся результаты численных экспериментов.

В разделе 3.8 показывается, как изучаемые в диссертации итерационные методы и методы конечных элементов могут быть использованы для решения нелинейной системы Навье-Стокса. Приводятся примеры расчетов.

В Заключении сформулированы основные научные результаты диссертации.

Основные результаты диссертации

Основным научным результатом диссертации является анализ многосеточных алгоритмов и переобуславливателей, обеспечивающих равномерную по параметрам задачи сходимость итерационных методов решения широкого круга задач математической физики. Автор выносит на защиту следующие научные результаты.

1. Предложен многосеточный метод для конечно-элементной аппроксимации модельной задачи конвекции-диффузии с краевыми условиями Дирихле и смешанными краевыми условиями.

Для него доказана равномерная по е и Л оценка сходимости без предположений на малость самой грубой сетки.

2. Для консервативной (квази-)линсаризации уравнений Навье-Стокса в вихревой форме предложен блочный переобуславли-ватель, обеспечивающий эффективность итерационного метода для линейной задачи. В случае периодической модельной задачи проведен полный анализ нового переобуславливателя.

3. Доказаны равномерные по параметру оценок для переобуславливателя Каху-Шабата для обобщенной задачи Стокса в областях, допускающих Н2 регулярность задачи Пуассона.

4. Для системы уравнений с косо-симметрической реакцией, вспомогательной при решении уравнений Навье-Стокса в вихревой форме, доказаны равномерные по параметрам оценки устойчивости метода конечных элементов и предложен универсальный по параметрам многосеточный метод. В случае О б К2 доказана оценка сходимости \¥-цикла многосеточного метода, не зависящая от набора параметров при некоторых ограничениях на функцию вихря.

5. Для задачи Стокса с интерфейсом доказано равномерное (относительно скачка в коэффициенте вязкости) шР-вир условие устойчивости, как для дифференциальной задачи, так и для конечно-элементной. Получены оптимальные оценки сходимости метода конечных элементов в специально выбранных нормах. Предложен переобуславливатель для дополнения Шура дискретной задачи, для которого доказана оценка, не зависящая от е и к. Это позволило построить блочные итерационные методы, обладающие свойством универсальности.

6. Впервые доказаны результаты о сходимости широко используемого на практике "сокращенного" стабилизированного метода конечных элементов для задачи Осеена. Проведен единый анализ сходимости стабилизированных методов конечных элементов для линеаризованных уравнений Навье-Стокса как в конвективной, так и в вихревой форме.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Olshanskii М.А., Reusken A., Analisys of a Stokes interface problem.// Numerische Mathematik, 2006, V. 103, No.l, P. 129-149.

2. Ольшанский M.А., Лекции и упражнения по многосеточным методам. Физматлит, Москва, 2005. ^ ^

3. Ольшанский М.А., Анализ многосеточного метода для уравнений конвекции-диффузии с краевыми условиями Дирихле.// Журнал Вычислительной Математики и Математической Физики, 2004, Т. 44, No.8, С. 1462-1491.

4. Olshanskii M.A., Reusken A., Convergence analysis of a multi-grid solver for a finite element method applied to convection-dominated model problem.// SIAM J.Num.Anal., 2004, V. 43, No.3, P. 1261-1291.

5. Gelhard T., Lube G., Olshanskii M.A., Starcke J.-H., Stabilized finite element schemes with LBB-stable elements for incompressible flows.// J. Comput. Appl. Math., 2005, V. 177, No.2, P. 243-267.

6. Olshanskii M.A., Reusken A., Grad-Div stabilization for the Stokes equations.// Mathematics of Computation, 2004, V. 73, No.248, P. 16991718.

7. Olshanskii M.A., Reusken A., A Stokes interface problem: stability, error estimate and a solver.// Proc. of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS 2004 (Eds. P. Neittaanmaki, etal.), 2004.

8. Olshanskii M.A., Preconditioned iterations for the linearized Navier - Stokes system in rotation form.// Computational Fluid and Solid Mechanics 2003, K.J. Bathe (Editor) , Elsevier, 2003, P. 1074-1077

9. Olshanskii M.A., A low order Galerkin finite element method for the Navier-Stokes equations of steady incompressible flow: A stabilization issue and iterative methods.// Сотр. Meth. Appl. Mech. Eng., 2002, V. 191, No.48, P. 5515-5536

10. Olshanskii M.A., Reusken A., Navier-Stokes equations in rotation for m: a robust multigrid solver for the velocity problem.// SIAM J. Sci. Сотр., 2002, V. 23, No.5, P. 1682-1706

11. Lube G., Olshanskii M.A., Stable finite element calculations of incompressible flows using the rotation form of convection.// IMA J. Num. Anal., 2002, V. 22, P. 437-461.

12. Kobelkov G.M., Olslianskii M.A., Effective Preconditioning of Uzawa Type Schemes for Generalized Stokes Problem.// Numerische Mathematik, 2000, V. 86, No.3, P. 443-470.

13. Olshanskii M.A., Reusken A., On the convergence of a multigrid method for linear reaction-diffusion problems.// Computing, 2000, V. 65, P. 193-202.

14. Chizhonkov E.V., Olshanskii M.A., On the domain geometry dependence of the LBB condition.// Math. Modelling Numer. Anal., 2000, V. 34, No.5, P. 935-951.

15. Ольшанский M.A., Чижонков E.B., О наилучшей константе в inf-sup условии для вытянутых прямоугольных областей.// Математические заметки, 2000, V. 67, No.3, Р. 387-396.

16. Olshanskii М.А., Staroverov V.M., On Simulation of the Outflow Boundary Conditions in FD Calculations for Incompressible Fluid.// Int. J. Numer. Meth. Fluids, 2000, V. 33, P. 499-534.

17. Olshanskii M.A., Iterative solver for Oseen problem and numerical solution of incompressible Navicr-Stokes equations.// Num. Linear Algebra Appl., 1999, V. 6, P. 353-378.

18. Olshanskii M.A., Two-Level Method and Some A Priori Estimates in Unsteady Navier-Stokes Calculations.// J. Comput. Appl. Math., 1999, V. 104, P. 173-191.

19. Olshanskii M.A., A robust iterative solver in simulation of unsteady incompressible Navier-Stokes flow.// Proc. Fourth Europ. Comput. Fluid Dynamic Conf., V.l, (Eds. R.Papailiou, etc.), Willey, Chichester, etc., 1998, P. 1296-1301.

20. Olshanskii M.A., On Preconditioning Techniques for Generalized Stokes Problem.// Proc. Conf. on Precond. Iter. Solution Meth. in Large Scale Probl. in Scientific Сотр., eds. O.Axelsson, M.Neytcheva, B.Polman, Nijmegen, the Netherlands, 1997, P. 137-144

21. Ольшанский M.A., О задаче Стокса с модельными краевыми I условиями.// Математический сборник, 1997, Т. 188, No.4, Р. 127144.

22. Ольшанский М.А., О задаче типа Стокса с параметром.// Журнал Вычислительной Математики и Математической Физики, 1996, Т. 36, No.2, Р. 75-86.

Подписано в печать 0£ 2006г. Формат 60x90 1/16. Объем 2 п.л. Заказ /2.У Тираж 100 экз.

Издательство ЦПИ при механико-математическом факультете МГУ г. Москва, Воробьевы горы.

Лицензия на издательскую деятельность ИД В 04059 от 20.01.2001 г.

Отпечатано на типографском оборудовании механико-математического факультета

Введение

1 Уравнения и системы уравнений в частных производных

1.1 Уравнения реакции-диффузии.

1.1.1 Априорные оценки.

1.2 Уравнения конвекции-диффузии.

1.2.1 Априорные оценки и зависимости вдоль линий тока.

Случай условий Неймана на Г^.

Случай условий Дирихле на Гд.

Оценка на близость решений задач Дирихле и Неймана.

Зависимость против потока и оценки вдали от Гв

1.3 Система уравнений с кососимметричной реакцией.

1.3.1 Априорные оценки.

1.4 Обобщённая система Стокса.

1.4.1 Априорные оценки.

1.4.2 Краевые условия на вихрь и задача для давления. . 53 Определения и вспомогательные утверждения. . 53 Задача с граничными условиями на вихрь.

1.4.3 Обобщенное неравенство Нечаса.

1.4.4 Теорема о перемежаемости опрераторов Шура

1.4.5 Оценки для стабилизированной задачи Стокса. . 65 Вспомогательные результаты из линейной алгебры. 65 Вспомогательные результаты для абстрактной вариационной задачи.

Оценки для непрерывного оператора.

1.5 Задача Стокса с интерфейсом.

1.5.1 Infsup-условие устойчивости.

1.5.2 Априорные оценки.

1.6 Система Навье-Стокса.

1.6.1 Различные формы системы.

1.6.2 Неявные схемы.

Схема для нестационарной задачи.

Схема для стационарной задачи.

1.6.3 Некоторые вспомогательные неравенства.

1.7 Системы типа Осеена.

1.7.1 Априорные оценки.

1.7.2 Оценки для оператора давления.

1.8 Выводы.

2 Устойчивые методы конечных элементов

2.1 Уравнения реакции-диффузии.

2.1.1 Сходимость.

2.2 Уравнения конвекции-диффузии.

2.2.1 Метод диффузии вдоль потока - конечных элементов.

2.2.2 Матрица жесткости.

2.2.3 Априорные оценки для дискретной задачи.

Зависимость против потока и оценки вдали от Г^.

2.2.4 Сходимость.

2.3 Система уравнений с кососимметричной реакцией.

2.3.1 Устойчивость дискретной задачи.

2.3.2 Сходимость.

2.3.3 Численная иллюстрация.

2.4 Обобщённая система Стокса.

2.4.1 Устойчивые дискретизации.

2.4.2 Сходимость.

2.4.3 Эффект Vdiv стабилизации

2.4.4 Численная иллюстрация.

2.5 Задача Стокса с интерфейсом.

2.5.1 Infsup-условие устойчивости.

2.5.2 Оценки для решения.

2.5.3 Сходимость.

2.6 Система Осеена.

2.6.1 SUPG метод конечных элементов.

2.6.2 Метод без стабилизации давления.

Оценка устойчивости схемы.

Сходимость и выбор параметров.

Анализ с модифицированным LBB условием.

2.6.3 Метод со стабилизацией давления.

Оценка устойчивости схемы.

Сходимость и выбор параметров.

Анализ для случая LBB устойчивых аппроксимаций

2.6.4 Численная иллюстрация.

2.7 Система Навье-Стокса.

2.7.1 Пример дискретизации.

2.7.2 Примеры расчетов.

Задача о движущейся каверне.

Задача о течении за ступенькой.

2.8 Выводы.

3 Анализ итерационных методов

3.1 Многосеточпые методы.

3.1.1 Вспомогательные леммы для свойства сглаживания

3.2 Уравнения реакции-диффузии.

3.2.1 Свойство аппроксимации.

3.2.2 Свойство сглаживания для базовых итераций.

3.2.3 Универсальная сходимость V- и W-циклов.

3.3 Уравнения конвекции-диффузии.

3.3.1 Свойство аппроксимации.

3.3.2 Свойство сглаживания.

3.3.3 Поведение сглаживающих итераций около границ втекания и вытекания.

3.3.4 Универсальная сходимость W-цикла.

3.3.5 Численные примеры.

3.4 Система уравнений с кососимметричной реакцией.

3.4.1 Свойство аппроксимации.

3.4.2 Свойство сглаживания для блочного метода

Якоби.

3.4.3 Универсальная сходимость W-цикла.

3.4.4 Численные примеры.

3.5 Обобщённая система Стокса.

3.5.1 Несколько итерационных методов.

Метод Узавы.

Неточный метод Узавы.

Метод MINRES

3.5.2 Переобуславливатели для дополнения Шура.

3.5.3 Численные примеры.

3.6 Задача Стокса с интерфейсом.

3.6.1 Переобуславливатель для дополнения Шура.

3.6.2 Численные примеры.

3.6.3 Задача с полным тензором деформаций.

3.7 Система Осеена.

3.7.1 Переобусловленные методы.

Переобуславливатель дополнения Шура для вихревой формы.

Анализ Фурье.

Переобуславливатель дополнения Шура конвективной формы.

3.7.2 Численные примеры.

3.8 Система Навье-Стокса.

3.8.1 Нелинейные итерации.

3.8.2 Численные примеры.

3.9 Выводы.

Настоящая работа посвящена анализу численных методов для уравнений в частных производных. Главной темой является анализ методов решения систем алгебраических уравнений, возникающих из дискретизаций дифференциальных уравнений. Обрисуем коротко, что имеется в виду, и сделаем необходимые оговорки. Метод конечных элементов будет использоваться для приближения и замены в расчетах дифференциальной задачи на дискретную, и мпогосеточный метод для быстрого решения дискретной задачи. Многосеточный метод можно использовать как самостоятельный итерационный алгоритм, но часто его можно эффективнее использовать как одну из компонент в более общем итерационном методе. Обычно он служит для построения, так называемого, переобу-славливателя. Построение таких переобуславливателей - ещё одна тема работы.

Безусловно, не любое уравнение в частных производных можно на сегодняшний день эффективно численно решить, комбинируя метод конечных элементов и многосеточный метод. Однако, очень многие уравнения, имеющие физический подтекст, можно. В диссертации идет речь о применении многосеточного метода (вместе с переобусловленными итерационными методами) к решению ряда задач, возникающих на практике. Важным аспектом, на котором делается унор во всей работе, является обеспечение и доказательство свойства универсальности1, рассматриваемых итерационных методов. Универсальный итерационный метод -это метод, обеспечивающий приемлемую сходимость при всех допустимых значениях физических и численных параметров, входящих в систему уравнений. С точки зрения анализа доказательство универсальности состоит в нахождении нетривиальных оценок на показатель сходимости

В англоязычной литературе для обозначения этого свойства используется термин "robust" и его производные. метода. Эти оценки должны не зависеть от ряда физических и численных параметров.

Перед тем, как более подробно описать содержание работы, остановимся кратко на истории многосеточных и итерационных методов.

Историю многосеточных методов принято исчислять с работ российских математиков Федоренко [20] (1964) и Бахвалова [1] (1966). Однако в те годы их работы не привлекли широкого внимания. Позже мпогосе-точный метод был "открыт" заново в работах Брандта [57] (1973) и Хак-буша [92] (1976), но, только начиная с другой статьи Брандта [58] (1977), метод получил признание, и количество публикаций стало стремительно расти. Современная теория метода была заложена в начале 80-х годов, и заметным событием можно назвать выход монографии Хакбуша [93] (1985) со строгим изложением абстрактной теории многосеточных методов и описанием многих приложений. Теория и практика примеиения метода продолжает развиваться и пополняться. В то время как многосеточные методы стали обязательной составляющей в большинстве прикладных пакетов, и им посвящена огромная библиография, насчитывающая, в том числе, около десятка книг, в русскоязычной литературе им уделено относительно мало внимания. Из книг можно назвать только монографию Шайдурова [24] и недавно опубликованную монографию [168]. Итерационные методы, вообще, имеют более чем вековую историю, - названия многих из них, например, Ныотона, Якоби, говорят за себя. К примеру, самому известному вариационному методу, сопряженных градиентов, в 2002 году исполнилось 50 лет (см. [106]).

Повторим, что целью работы является изучение таких итерационных методов, сходимость которых остается достаточно высокой при любых допустимых значениях физических и численных параметров, входящих в систему уравнений. Физические параметры, как правило, определяются характером физического процесса моделируемого дифференциальной системой, а численные - методом дискретизации. Универсальные итерационные, в том числе многосеточные, методы являются полем актив-пых исследований последние два десятилетия. Далее в введении, когда мы перейдем к детальному изложению основных результатов, встретится много ссылок на соответствующие работы.

Схематично, структура диссертации следующая. Итерационные методы исследуются в применении к решению ряда задач, возникающих в вычислительной гидродинамике (некоторые из задач возникают и во многих других приложениях). Вот эти задачи, расположенные в порядке возрастания сложности их анализа (по субъективному мнению автора): уравнения реакции-диффузии (1), задача Стокса с интерфейсом (10), обобщённая система Стокса (8), система уравнений с кососиммет-ричной реакцией (7), уравнения конвекции-диффузии (3), системы типа Осеепа (11) и (12), система Навье-Стокса (4). Первые три задачи из списка являются сингулярно-возмущенными при стремлении одного или нескольких параметров к критическим значениям. Универсальность итерационных методов для них рассматривается относительно изменения данных параметров, и теория здесь принимает законченный вид, охватывая все множество допустимых значений параметров. Следующие три задачи являются несимметричными. Наиболее сложным для анализа является случай, когда косо-симметричные члены играют существенную роль и, возможно, доминируют. Более того, характер этих задач определяется, кроме набора скалярных параметров, некоторыми функциями (например, векторное поле скоростей жидкости в задаче Осеена). Неизбежно, универсальные итерационные методы удается обосновать только при предположениях о принадлежности данных функций к некоторым классам. Наконец, система Навье-Стокса является нелинейной. Изучение итерационных методов для нее не входит в задачи данной диссертации. Материал по расчету течений Навье-Стокса служит иллюстрацией использования и работы различных, анализированных ранее, методов.

Общее построение материала в диссертации следующее: в первой главе проводится анализ дифференциальных задач, во второй главе исследуется сходимость метода конечных элементов, после этого, в третьей главе доказываются результаты о сходимости итерационных методов для возникающих систем алгебраических уравнений. Причина такого построения состоит в том, что анализ дифференциальных задач и метода конечных элементов, имея самостоятельное значение, необходим для доказательства сходимости итерационных методов. Например, доказательство сходимости многосеточных методов основано на свойствах аппроксимации и сглаживания (см. стр. 13). Эти алгебраические свойства требуют различной техники доказательства. Свойство сглаживания доказывается с помощью средств линейной алгебры, а свойство аппроксимации следует из утверждений о сходимости метода конечных элементов. Доказательство этих утверждений, в свою очередь, существенно базируется на априорных оценках для решений дифференциальных задач, в том числе на оценках вторых производных решений. В общем случае подобные оценки давно известны. Однако, имея целью доказательство универсальной сходимости итерационных методов, нам требуется получить в явном виде зависимость "констант" из априорных оценок от физических параметров, входящих в постановку дифференциальной задачи. Более того, в оценках сходимости метода конечных элементов так же требуется получить зависимость констант от этих параметров, причем в большинстве случаев - оптимальную.

Перейдем к более детальному описанию постановок задач и результатов (известных ранее и полученных автором) по каждой из перечисленных проблем.

Уравнения реакции-диффузии.

Рассматриваемая нами линейная задача реакции-диффузии имеет следующий вид. При заданном 0 < е < 1 и функциях fad таких, что О < do < d(x) < di в f2, найти функцию и, удовлетворяющую системе:

Пусть О, - выпуклый многоугольник или многогранник в RN, N — 2,3. В качестве дискретизации задачи используется стандартный метод конечных элементов на семействе вложенных квазирегулярных триангуляций области. Конечные элементы предполагаются конформными. Параметр сетки обозначается через h. В общем случае (при гладкой /) решение (1) имеет экспоненциальный погранслой, и методы дискретизации, основанные на полиномиальных конечных элементах на квазиравномерной сетке приводят к большим ошибкам дискретизации внутри пограислоя. Однако, в [154, 155] показано, что этот метод дискретизации, тем не менее, устойчив при £ 4 0. Распространение ошибки в такой задачи ие сильно, т.е. вис погранслоя оценки на сходимость метода конечных элементов являются равномерными по £ и оптимального порядка. Следовательно, численное решение (1) с использованием метода конечных элементов на таких сетках может иметь смысл па практике. Об аппроксимации уравнений реакции-диффузии на локально измельчаемых сетках можно прочесть, например, в [25, 26].

Отметим, что данное уравнение не вызывает существенно больших трудностей с точки зрения итерационных методов, чем уравнение Пуассона. В плане теоретического анализа итерационных методов его решения многое известно из литературы. Так в [143] замечается, что ВРХеА и + d(x) и = / в Г2, и = 0 па dQ,.

1) переобуславливатель [55] и метод иерархических базисов из [35] не являются универсальными для конечно-элементной дискретизации задачи (1). В [143] был предложен специальный переобуславливатель, основанный на методе иерархических базисов, универсальность которого для двухмерной задачи (1), аппроксимированной кусочно-линейными конечными элементами на равномерной сетке, была доказана. В [89] был предложен многоуровневый метод, основанный на разложении на подпространства, который является универсальным для (1). Метод из [89], однако, пригоден только для прямоугольных областей и сеток простейшей структуры. В работе [53] построен аддитивный многоуровневый переобуславливатель, который обеспечивает универсальную оценку спектрального числа обусловленности. Универсальность алгебраических мпогосеточных методов для конечно-элементных аппроксимаций системы (1) также известна, см. [96]. Классический (геометрический) многосеточный метод успешно используется для задачи реакции-диффузии, тем не менее, из литературы не было известно доказательство его универсальности. В работах, основанных на разложениях на подпространства (см. [161, 162]), мы не нашли теоретических результатов об универсальной сходимости классического многосеточного метода для (1). Доказательство, основанное па свойствах сглаживания и аппроксимации, также отсутствовало. Поэтому автор счел уместным начать изложение результатов по универсальной сходимости мпогосеточных методов с доказательства для уравнения реакции-диффузии. Доказательство основано на свойствах сглаживания и аппроксимации, в которых особое внимание уделяется зависимости констант от параметра е. В частности, показано, что ухудшение свойства аппроксимации при е | 0 компенсируется улучшением свойства сглаживания. Этот результат опубликован (в соавторстве с А.Реускепом) в [178].

Основным результатом для уравнений реакции-диффузии является доказательство того, что многосеточный метод (как V-цикл, так и W-цикл) с каноническими операторами перехода с сетки на сетку, сглаживаниями Якоби с параметром или симметричным методом Гаусса-Зейделя является универсальным, т.е. его показатель сходимости ограничен сверху некоторой константой меньше единицы, и не зависящей от h и е (Теорема 3.4). Вспомогательными результатами являются априорные оценки из леммы 1.1, оценки сходимости метода конечных элементов из леммы 2.1, свойство аппроксимации из теоремы 3.2 и сглаживания из теоремы 3.3.

Уравнения конвекции-диффузии.

Для уравнений конвекции-диффузии анализ сходимости многосеточных методов находится в начальной стадии. В диссертации представлен анализ сходимости многосеточного метода для некоторого специального класса двухмерных уравнений конвекции диффузии.

На сегодняшний день интересный для анализа класс уравнений конвекции-диффузии может быть определен как где е > 0 и b = (cos ip, sin 4> E [0,27г). Дискретизация уравнений, например, методом конечных разностей или методом конечных элементов, приводит к системе линейных алгебраических уравнений, матрица которой разрежена (большинство элементов равны нулю) и может иметь большую размерность. Для решения такой системы естественно применение итерационного метода. Заметим, что дискретная задача зависит от трех параметров: h (шаг сетки), е (отношение диффузии и конвекции) и ф (направление потока). Для ее решения желательно построение метода эффективного для всех встречающихся значений параметров. Из практики известно, что для достижения универсальности в случае задачи (2) компоненты многосеточного метода должны выбираться специальным образом, так как "стандартный" метод не дает удовлетворительных результатов для уравнений с доминирующей конвекцией, когда отношение h/e велико. Для улучшения универсальности методов несколько модификаций предлагается в литературе - это "универсальные" сглаживания, операторы перехода с одного сеточного уровня на другой, зависящие от матрицы системы, и техника неравномерного огрубления сетки (semicoarsening). Детали данных подходов можно прочесть в [93, 43, 98,116,118,132,164]. Однако, эти модификации основаны па эвристических доводах и эмпирических исследованиях, строгий анализ сходимости, доказывающий универсальность этих методов, до сих пор отсутствует.

Относительно теоретического анализа сходимости мпогосеточного метода применительно к уравнениям конвекции-диффузии отметим следующие исследования. Анализ сходимости для несимметричных систем, основанный на теории возмущения симметричной задачи (см. [56, ИЗ, 156]), дает для (2) оценки, зависящие от е. Такой подход неудовлетворителен при £ « 1. В работах [124] и [133] рассмотрены уравнения

-eAu + b-Vu u f в ft = (0,1) g на 9ft, 2

2) конвекции-диффузии аналогичные (2), но с периодическими краевыми условиями. Анализ двухсеточного и многосеточного метода в этом случае основан на разложении в ряды Фурье. Так в [124] для случая ф = О получены оценки сходимости V-цикла, не зависящие от е и h при условии е w ch. В [133] получены оценки сходимости двухсеточного метода, не зависящие от е, h, ф, в случае дискретизации уравнения методом конечных разностей с использованием разностей против потока 1-ого порядка (и периодическими краевыми условиями). В [37] изучается применение многосеточного метода иерархических базисов к (2). В той работе в явном виде получена зависимость показателя сходимости от е и ф, но оценки не равномерны по h. Многосеточный метод, основанный на неравномерном огрублении сетки, операторах перехода, зависящих от матрицы жесткости, и сглаживаниях блочного тина, изучался в [134] применительно к конечно-разностной дискретизации (2) 1-ого порядка. С помощью средств линейной алгебры для него получена универсальная оценка на сходимость W-цикла. Вообще говоря, анализ сходимости многосеточных методов для уравнений конвекции-диффузии считается весьма трудной задачей.

В настоящей работе рассматривается задача конвекции-диффузии

-eAu + ux = f в Q := (О, I)2, и = 0 на дП. 1 '

Также рассматривается задача с условиями Неймана на границе вытекания, т.е., их(1,у) = 0,i/G (0,1). Автор считает, что задача с условиями Дирихле на границе вытекания сложнее для анализа, чем с условиями Неймана. Так условия Неймана исключают образование экспоненциального пограничного слоя в решении и, как следствие, ослабляют зависимость констант в априорных оценках от е. Например, в случае условий Неймана на границе вытекания справедливо

Ып»<се-1Мь, а в случае условий Дирихле лишь

N*»<cH||/|ur

Подобные априорные оценки играют важную роль в анализе многосеточного метода. Отметим, что анализ Фурье не применим для рассматриваемых задач.

В то время как условия Неймана на границе вытекания часто встречаются в приложениях, например, при наличии искусственной границы в задачах вычислительной гидродинамики, экспоненциальные пограничные или внутренние слои также не редкость в приложениях, например, в задаче фильтрации. Поэтому анализ мпогосеточного метода в обоих случаях имеет прикладное значение.

Для дискретизации (3) используем метод конечных элементов. Помимо работ [170, 171], в которых опубликован излагаемый здесь материал, автору из литературы не известны теоретические результаты о сходимости многосеточпого метода, применимые к конечно-элементным аппроксимациям в случае доминирующей конвекции.

Как хорошо известно, стандартный метод конечных элементов не подходит для расчетов в случае доминирования конвективных членов и (квази)равномерных сеток. Мы используем SUPG (Streamline Upwinding Petrov-Galerkin) метод, который обеспечивает более высокий порядок сходимости (см. [135],[165]), чем метод конечных разностей против потока 1-ого порядка. В диссертации рассматривается только случай равномерной триангуляции такой, что узлы разбиения расположены вдоль линий тока. Обобщение результатов на случай произвольной сетки остается открытым вопросом. Об устойчивых дискретизациях, получаемых локальным измельчением сетки можно прочесть, например, в [142, 9].

Ниже мы кратко обсуждаем различные компоненты предлагаемого многосеточпого метода.

В качестве продолжения и проектора (pk и г*) используются канонические операторы, определяемые иерархией сеток и вложением конечно-элементных пространств. Так в качестве продолжения используется линейная интерполяция, а в качестве проектора - сопряженный оператор к оператору продолжения.

Иерархия операторов на различных сеточных уровнях строится путем применения SUPG дискретизации на соответствующем уровне. Так как билинейная форма дискретной задачи зависит от стабилизирующего члена, который в свою очередь зависит от параметра дискретизации hk, то типичное соотношение Ak-i — r^AkPh, связывающее операторы на А;-м и к — 1-м уровнях, не выполняется. Это согласуется, в частности, с результатами численных экспериментов из [128], которые указывают, что при использовании канонических продолжения и проекции предпочтение при построении матрицы па грубой сетке следует отдать методу SUPG дискретизации на грубой сетке перед методом Галёркина: Ак-\ = ri-AkPk-Относительно сглаживаний заметим, что сеточный шаблон, возникающий в методе конечных элементов, не позволяет строить универсальные сглаживающие итерации (т.е., такие, которые точно решают задачу в предельном случае е = 0, см. [168],[93]) с помощью блочных методов Якоби и Гаусса-Зейделя. Это объяснено подробнее в замечании 3.1 на стр. 195. Мы используем сглаживающие итерации блочного типа, которые не являются универсальными в данном смысле. Их суть заключается в построении блочного переобуславливателя, состоящего из двух-диагональных блоков при нумерации узлов сетки вдоль потока и полной матрицы жесткости около границы вытекания. Сглаживающие итерации допускают физическую интерпретацию: неизвестные в процессе релаксации обновляются начиная с границы втекания и далее вдоль линий тока, а около границы вытекания, где поведение решение нерегулярно (имеет место экспоненциальный погранслой), система решается точно.

Все эти компоненты обычным образом объединены друг с другом и составляют в результате W-цикл многосеточного метода.

Анализ сходимости многосеточного метода для уравнений конвекции-диффузии является, по-видимому, наиболее технически сложной частью диссертации, поэтому далее во введении кратко остановимся на его основных моментах. Через Л* обозначим матрицу жесткости задачи на к-м сеточном уровне. = / — W^Ak - матрица сглаживающих итераций. Матрица итераций двухсеточного метода с /х предсглаживапиями и и постсглаживаниями задается, как = S%(I — pf-A^rkA^S1^.

Один из стандартных подходов к анализу многосеточного метода состоит в доказательстве оценки на норму матрицы Т*, откуда оценка на норму матрицы итераций многосеточпого метода следует. Доказательство оценки для ||Tfc|| традиционно базируется на свойстве сглаэюивания и свойстве аппроксимации, т.е., на проверке неравенств вида:

4fcSfc|| < Ca{hk,e)ri(u), где ф) -> 0 при t -> оо, U^-PkAk-M < Ca(hk,e).

При этом, для доказательства универсальности метода произведение множителей C3{hk,e) и Ca(hk,e) должно оцениваться некоторой абсолютной константой, не зависящей от hk и е. Тогда для достаточно большого v желаемая оценка для \\Ть\\ следует из неравенства Коши (ц = 0). Однако, для задачи, рассматриваемой в работе, и это подтверждается простыми числеиными экспериментами, данный подход, по-видимому, не возможно применить. Вместо этого мы рассматриваем другое разбиение для оценки ||7fc||. Новое разбиение приводит к модифицированным свойствам сглаживания и аппроксимации, - ключевым моментом будет проверка оценок вида:

IIAkSZW?\\ < с»/"*, PkWkiAkl - PkAk-irk)JlV\\ < с.

Здесь и далее с - положительные константы, не зависящие от hk и е. Таким образом, в модифицированном свойстве аппроксимации участвует переобуславлиаватель Wk из сглаживающих итераций. J]f и J]^ - сеточные операторы проекции для небольших подобластей fi14' и CtE, прилегающих к граиице втекания и вытекания, т.е. J™ - диагональная матрица: (J^)ц = 0, если узел сетки с индексом г лежит в подобласти f2vy, {J™)u = 1 иначе. Аналогично определяется J£ для подобласти Г2Б (в случае условий Неймана на Гд в проекторе Jif нет необходимости).

Введение операторов проекции «7^ и Jf обусловлено следующим. Проверка свойства аппроксимации тесно связано с получением оценок на 1«2-норму ошибки в методе конечных элементов. Традиционно получение таких оценок основано на вариационных свойствах метода и па рассмотрении сопряженной задачи. Для задачи (3) регулярность решения "портится" у границы вытекания (для условий Дирихле):

ТЕ :={{х,у)е%1\х = 1}, а у сопряженной задачи у противоположной части границы:

Fw :={(х,у)едП | x = Q).

Оба эффекта затрудняют получение необходимых оценок. Чтобы преодолеть эту трудность, в свойство аппроксимации введены проекторы J£ и Jlv, а для специальных сглаживающих итераций, используемых нами, доказаны свойства, которые позволяют использовать эти проекторы при анализе (для удобства построения доказательств вместо проектора J^ будет использоваться функция срезки). В частности, показано, что около границы втекания сглаживающие итерации должны не сглаживать, а быстро уменьшать ошибку. Это необходимое свойство не встречалось ранее в литературе.

Один из сомножителей при получении оценки для ||Г^|| получается равным (1 — с/кАу. Чтобы компенсировать зависимость от к, число предсглаживаний и постсглаживаний выбирается зависящим от сеточного уровня: /х = цк ~ А:. В результате получаем оценку нормы матрицы итераций двухсеточпого метода ||Т^|| < с < 1 и арифметическую сложность одной итерации 0(Nk In4 Nk), где Nk = h^2. Данная трудоемкость является квазиоптимальной. Однако в численных экспериментах мы не видим необходимости в увеличении числа сглаживаний с увеличением к. В разделе 3.3.5 обсуждается, что зависимость //от к является, видимо, артефактом доказательства.

Отметим, что в задачи диссертации не входит численное сравнение различных мпогосеточпых методов решения уравнений конвекции диффузии. Результаты численных расчётов можно найти во многих источниках, например, [43], [95], [116], [164], в том числе и для SUPG аппроксимации по методу конечных элементов [128]. Численные эксперименты, приведенные в данной работе (раздел 3.3.5), служат для иллюстрации излагаемой теории.

Главным результатом для уравнений конвекции-диффузии является доказательство универсальной сходимости W-цикла (т.е. показатель сходимости ограничен сверху некоторой константой меньше единицы и не зависящей от h и е) для конечно-элементной аппроксимации задачи (теорема 3.8). При этом используется обычное измельчение сетки и специальные блочные сглаживающие итерации. Для стабилизации дискретизации в случае доминирующей конвекции используется SUPG метод. Теория требует логарифмического роста числа сглаживаний при измельчении сетки, однако на практике необходимость такого увеличения не отмечена. Основными вспомогательными результатами являются априорные оценки из теорем 1.1 и 1.2, оцеики сходимости метода конечных элементов из лемм 2.5 и 2.6 и априорные оценки для дискретного решения из § 2.2.3, модифицированные свойства аппроксимации в теореме 3.6 и свойства сглаживания в лемме 3.12, оценка на норму матрицы итерации двух-сеточного метода из теоремы 3.7

Система уравнений с кососимметричной реакцией.

Объясним наш интерес к системе уравнений с кососимметричной реакцией. Заметим, что уравнения Навье-Стокса несжимаемой жидкости в переменных скорость-давление могут быть записаны в нескольких эквивалентных формах. Популярной является конвективная форма записи: найти вектор-функцию скорости u(t,x) и кинематическое давление p(t,x), удовлетворяющие системе

9ц V)u + Vp = f в fix (О ,T], divu = 0 в fix (О,Т], при заданных массовых силах f и кинематической вязкости v > 0. К (4) необходимо добавить подходящие начальные и граничные условия. Одной из альтернатив (4) является вихревая форма записи уравнений Навье-Стокса: о

-^-1/Ди+ (curl и) х и + VP = f в ftx(0,T], ut (5) divu = 0 в ft х (0,Т], которая получается из (4) в результате замены кинематического давления давлением Берпулли ( см., например, [19]): Р = р + ^и • и и использования тождества (u-V)u = (curl u) х и + |V(u • и) (см. обозначения в разделе на стр. 30). Отметим, что вихревая форма записи нелинейных членов оказывается важной для создания схем, удовлетворяющих одновременно законам сохранения энергии и завихренности [129] - фундаментальным инвариантам в теории несжимаемых течений, в том числе турбулентных, см. [115]. Линеаризация и применение неявных схем по времени для (5) приводит к системе типа Осеена:

-l/Au + wxu + au + VP = f в ft б) divu = 0 в ft, где а > 0 и w = curia, а - известное приближение к и . Заметим, что такая линеаризация (curl u) х и обеспечивает эллиптичность части системы, зависящей от скорости в первом соотношении из (6). Для линеаризованной системы остаются справедливыми законы сохранения.

Одним из способов решения (6) являются итерационные алгоритмы типа Узавы, в которых решается уравнение для давления с оператором Шура SrotP = g. Оператор Шура может быть формально записан в виде Srot = —div (-i/Д + w х +a/)1 V. Оператор (-i/Д + w x +a/)1 в свою очередь обозначает решение следующей задачи:

-vAu + wxu + au = f в fi,

7) u = 0 на Ш, w

Для простоты мы используем краевые условия Дирихле. Точное решение (7) может быть заменено приближенным, как в неточном методе Узавы [51] или в блочных переобуславливателях для (б) (например, [117], [138]). Решению систем вида (б) будет посвящен отдельный раздел диссертации, а перед этим речь пойдет о многосеточном методе для задачи (7).

Линеаризация и применение неявных схем по времени для уравнений в конвективной форме (4) приводят к решению задачи вида (6) с заменой w х и на (а • V)u. Методы типа Узавы для такой системы приводят к задачи для давления с оператором Шура Sconv = —div (—i>A + а • V + a/)-1V. Здесь оператор (—uА + а • V + а/)-1 означает решение набора уравнений конвекции-диффузии (-реакции). Многосеточные методы для таких уравнений уже обсуждались во введении.

Заметим, что в отличие от уравнения конвекции-диффузии задача (7) является системой, в которой различные компоненты вектора скорости связаны в уравнениях. Более того, при малых значениях и и а в (7) доминирует, кососимметрическая часть w х и. Мы ограничимся рассмотрением двухмерного случая, поскольку для него удается провести полный анализ сходимости метода конечных элементов и анализ сходимости мпогосеточного метода. Тем не менее, все элементы многосеточпого метода естественно обобщаются на трехмерный случай. Допускается a = 0, что соответствует линеаризации стационарных уравнений Навье-Стокса. В диссертации будет показано, что при некоторых разумных ограничениях на функцию вихря w для дискретизации (7) можно использовать стандартный метод конечных элементов без какой-либо стабилизации (см. теорему 2.2 и замечание 2.2). Удается доказать оценки сходимости метода конечных элементов аналогичные оценкам в случае скалярного линейного уравнения реакции-диффузии (1).

Далее в диссертации рассматривается многосеточный метод для решения системы алгебраических уравнений, возникающий из дискретизации уравнений (7) стандартными конформными конечными элементами. Доказывается, что W-цикл с каноническими операторами продолжения и проекции и блочным методом Ричардсона в качестве сглаживаний является универсальным методом в том смысле, что показатель его сходимости ограничен константой меньше единицы и независящей от всех параметров системы. Хотя для доказательства сходимости многосеточного метода нам будут необходимы довольно жесткие ограничения на w, численные эксперименты показывают, что миогосеточиый метод хорошо работает даже в тех случаях, когда эти ограничения нарушаются.

В разделе 2.3.3 приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующие устойчивость метода конечных элементов, а в разделе 3.4.4 эффективность многосеточного метода.

И анализ, и численные эксперименты показывают, что задача (7) в вычислительном плане напоминает скалярную задачу реакции-диффузии, которую с точки зрения численного анализа принято считать более легкой, чем задачу конвекции-диффузии.

Итак, основными результатами для системы (7) является доказательства универсальных оценок устойчивости метода конечных элементов и доказательство оценки сходимости W-цикла мпогосеточного метода, не зависящей от v, ||wj|, h и а при некоторых ограничениях на поведение функции w. Вспомогательными результатами являются априорные оценки из теоремы 1.3, оценка устойчивости (лемма 2.7) и сходимости (теоремы 2.2) для метода конечных элементов, свойство аппроксимации из теоремы 3.9, свойство сглаживания из теоремы 3.10.

Обобщённая система Стокса.

Следующая рассматриваемая задача также возникает в ряде схем расчета уравнений Навье-Стокса:

-еДи + cm + Vp = f в f2, —div u = g в f2, u|an = 0. (8) pdx = 0, здесь e — const > 0 - вещественный параметр. В частном случае несжимаемой жидкости g = 0, в общем случае для разрешимости системы накладывается условие JQg dx = 0. Если а = 0, то (8) - система Стокса. При расчетах нестационарных течений типичной является зависимость а ~ (<^)-1, где 5t - шаг по времени. Можно масштабировать первое уравнение системы так, что а = 1. Таким образом, можем считать, что а£ {0; 1}, е > 0.

Пусть а = 1, тогда при малых значениях параметра е система (8) является сингулярно-возмущенной, и стандартные итерационные методы сходятся медленно. В этом случае нетрудно проверить (см. [181]), что число обусловленности оператора Шура для давления растет как 0(е-1) при е —> 0. В 90-х годах были обоснованы три подхода решения (8) с универсальными оценками по е: подход основанный на методе фиктивных L областей [34], подход основанный на расщеплении граничных условий и приближении операторов Лапласа-Бельтрами [16, 17,18]. Однако, широко используемым методом является итерационный алгоритм с блочным переобуславливанием, где для дополнения Шура используется переобуславливатель, предложенный Каху-Шабатом [63] (1988). Только через десять лет этот метод получил свое теоретическое обоснование в [50] и работах автора: [188, 186, 181]. В диссертации мы следуем изложению из [181].

Кратко суть подхода можно изложить следующим образом. Сначала доказывается следующий результат, опубликованный в [187]. Рассмотрим обобщенную задачу Стокса с однородными краевыми условиями на нормальную компоненту и вихрь скорости. Для этой задачи оператор Шура для давления Sp можно представить в виде

S;1=el + a A~n\ где I - единичный оператор на L2, а Д^1 - оператор, решающий задачу Неймана. Аппроксимированный конечными элементами, 5"1 является переобуславливателем Каху-Шабата. Далее показывается, что получение оценки на спектральное число переобусловленного оператора эквивалентно доказательству некоторых обобщённых неравенств Нечаса. Следуя [181], в диссертации приводится доказательство этих неравенств с константой, не зависящей от параметров а и £ для достаточно произвольных 2-х и 3-х мерных областей. Более точно, рассматриваются области, для которых задача Стокса при g = 0 обладает Нерегулярностью; результаты для случая криволинейной трапеции с липшицевой границей из [181] принадлежат соавтору и в диссертацию не включены. Для конечно-разностной аппроксимации аналогичный результат доказан в [188], однако доказательство дано только для прямоугольных областей и равномерных сеток; в диссертации оно не приводится. Подчеркнем, что оценки полученные нами для переобуславливателей на дифференциальном уровне, хотя и переносятся на случай конечных элементов только эмпирически (этот пробел, впрочем, восполнен отчасти в работе [50]), играют ключевую роль в обосновании методов решения, основанных на разложениях по биортогональным базисам и адаптации, см. [71], [72].

В диссертации используются несколько итерационных методов блочного типа для задач типа Стокса, - это метод Узавы, неточный метод Узавы, метод MINRES с блочно-диагональным переобуславливателем для симметричных систем) и метод BiCGstab с блочно-треугольным переобуславливателем. Обзор и анализ подобных итерационных методов для симметричных систем можно найти в монографии [22] и статье [166].

Мпогосеточпый метод часто применяется на практике для численного решения систем типа Стокса и Навье-Стокса. Однако, математический анализ многосеточпого метода для таких систем оказывается значительно сложнее, чем для эллиптических задач. В настоящее время полностью удаётся провести анализ только для задачи Стокса и нескольких итерационных методов в качестве сглаживаний [23, 46]. Причем, универсальность по параметру при а ф 0 на настоящий момент не доказана, хотя и наблюдается в численных экспериментах для большинства многосеточных методов. Пожалуй, только в [168] этот анализ полностью изложен в виде стандартных для эллиптического случая матричио-векторных свойств сглаживания и аппроксимации, влекущих оценку на норму матрицы итераций метода.

Для обобщенной задачи Стокса в диссертации также изучается эффект стабилизации, известной из литературы как grad-div или div-div стабилизация. Стабилизация состоит в использовании следующей слабой формулировки задачи: для / 6 Н1(П), найти (u,p) е Hj(fi) хЬг(О), fnp(x) dx = 0, удовлетворяющие

Vu,Vu) + a(u,u) + ^(divu,divu) + (divu,p) = f(v) V v е Hj(fi), divu,q) =0 V q e L2(fi),

9) с дополнительным параметром £ > 0. В работе изучается влияние слагаемого (div u, div г») на численное решение обобщенной задачи Стокса. В сильной постановке этому слагаемому соответствует дифференциальный оператор Vdiv и, как будет показано, добавление этого слагаемого имеет стабилизирующий эффект при малых значениях е. Это объясняет название "Vdiv стабилизация". Заметим, что единственное решение задачи (9) не зависит от Добавление члена Vdiv в уравнение моментов для задачи Стокса не является новой идеей. В [85] это было предложено и изучалось в точки зрения вариационных методов для задач с ограничениями. Там было показано, что для итерационных методов типа градиентного спуска решения уравнения для давления с оператором Шура скорость сходимости увеличивается. В [62], [104] изучается влияние добавки Vdiv на скорость сходимости некоторых итерациопных методов для задачи Стокса и Навье-Стокса. В [104] было показано, что для уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейиольдса добавление слагаемого Vdiv улучшает сходимость нелинейных итераций. В работе [62] показано, что в случае блочно-диагоналыюго и блочно-треугольного переобуславливания для задачи Стокса такая добавка не приводит к улучшению сходимости, если она используется только при вычислении невязки, но не влияет на переобуславливатель. В диссертации мы рассматриваем переобуславливатель, который зависит от

В литературе по методу конечных элементов для уравнений Навье-Стокса несжимаемой жидкости Vdiv добавка иногда встречается при анализе стабилизированных методов, таких как диффузии вдоль потока или Петрова-Галёркина (см., например, [135], [148]). Из этих результатов, однако, оставалось неясно играет ли этот член ключевую роль или вводится только для технических целей.

В цитированных выше работах ([85, 62]) изучалось влияние члена Vdiv на сходимость итерационных методов решения дискретной задачи. Мы замечаем, что эта добавка имеет интересное влияние также на свойства непрерывной задачи и на сходимость метода конечных элементов для задачи Стокса. Насколько известно автору, ранее в литературе эти результаты не встречались. На практике £ = 0 являлся стандартным выбором. В диссертации будет показано, в каких случаях выбор f > О ведет к (значительному) улучшению.

В главах 1,2 и 3 анализируется влияние Vdiv слагаемого для непрерывной задачи, метода конечных элементов и итерационного метода решения дискретной системы. Для непрерывной задачи будет показано, что не изменяя непрерывное решение, выбор £ > 0 в (9) имеет выраженный положительный эффект для устойчивости билинейной формы, соответствующей (9). Оказывается, что при £ > 0 для непрерывной задачи выполняются однородные по е оценки устойчивости в естественной норме. Это не справедливо при f = 0. Основной результат для метода конечных элементов состоит в следующем: при использовании LBB устойчивых конформных конечных элементов оценка сходимости при е | 0 существенно улучшается при использовании Vdiv стабилизации. Численные эксперименты показывают, что теоретические оценки сверху правильно предсказывают поведение ошибки. Далее, анализируя сходимость алгоритмов типа Узавы (неточный метод Узавы), мы приходим к выводам аналогичным [85]; а именно, скорость сходимости внешних итераций для системы с дополнением Шура увеличивается при добавлепии члена Vdiv. Однако, при е 4- 0 система для вектора скоростей, которую необходимо решать на внутренних итерациях, становится хуже обусловленной при использовании Vdiv стабилизации. Тем не менее, для одного пеконформиого метода конечных элементов в [141] был построен универсальный мпогосеточпый метод решения данной системы для вектора скоростей. Возможно, этот метод можно использовать и для других копечио-элементиых аппроксимаций.

В методах стабилизации важен правильный выбор стабилизационного параметра, в нашем случае - выбор f. Этот вопрос кратко обсуждается в разделе 2.4. Более подробно он обсуждается в разделе 2.7 для задачи Осеена. Результаты численных экспериментов для задачи Стокса можно найти в разделе 2.4, а для задачи Осеена в разделе 2.7.

К основным результатам для обобщенной системы Стокса (8) относится доказательство равномерной по е и а спектральной эквивалентности дополнения Шура и переобуславливателя Каху-Шабата для достаточно произвольных двух- и трехмерных областей (теорема 1.7), а также анализ влияния Vdiv стабилизации на сходимость метода конечных элементов (теорема 2.4) и итерационных методов с блочными пе-реобуславливателями (лемма 3.21 и 3.22). К важным вспомогательным результатам относятся доказательство обобщённого неравенства Нечаса (лемма 1.10), представление для дополнения Шура задачи с краевыми условиями на вихрь из теоремы 1.4, оценки для билинейной формы стабилизированной задачи из теорем 1.8 и 1.9.

Задача Стокса с интерфейсом.

В работе рассматривается следующая задача типа Стокса в ограниченной Липшицевой области fi 6 Rd (d = 2,3). Найти поле скоростей и и функцию давления р, удовлетворяющих системе

-div (i/(x)Du) + Vp = f в fi, divu = 0 в fi, (10) u = 0 на dfi, с кусочно-постоянной вязкостью: г 1 в fil

V ~~ \ £ > 0 В fi2.

Подобласти fij, fi2 предполагаются Липшицевыми, причем такими, что fij n fi2 = 0 и fi = fii U fi2. Через Г обозначим интерфейс - границу между подобластями: Г = dQ{ П 0^2- На интерфейсе задаются условия непрерывности поля скоростей и тензора напряжений: и] = 0, [<т(и,р)-п] = 0 на Г

Выше использованы стандартные обозначения а(и,р) = —р/ + 2г/Би, Du = §(Vu+ (Vu)T), n - нормаль к Г.

Важной мотивацией рассмотрения такой системы Стокса является моделирование двух-фазных течений. Зачастую такие течения моделируются с помощью уравнений Навье-Стокса с разрывным коэффициентом вязкости. Влияние поверхностных напряжений на интерфейсе учитывается с помощью введения специальных локальных членов в правую часть уравнений. Этот подход известен, как CSF (continuum surface force) модель, см. [45]. Хорошо известной техникой определения неизвестного положения интерфейса является метод функции уровня, см. [149,121, 64] и цитированную там литературу. Если такой подход используется при расчете сильно вязких течений, то уравнения Стокса с разрывным коэффициентом вязкости являются адекватной моделью.

Отметим, что для уравнения диффузии (уравнения Пуассона) с разрывным коэффициентом в литературе можно найти анализ регулярности решений и методов дискретизации [31, 33, 48, 65,125], апостериорные оценки погрешности [123, 41] и итерационные методы решения дискретных систем. Итерационные методы для уравнений диффузии с разрывным коэффициентом изучались как мпогосеточные [47, 54, 126, 163], так и декомпозиции [119, 15, 109], а также основанные на итерациях в подпространствах [103, 2, 105, 3] (обзор подобных методов, включая задачи упругости и уравнения с переменными коэффициентами, содержится в [4]). В качестве одних из первых работ по итерационным методам для уравнений с разрывным коэффициентом отметим [8, 74]. Однако, для уравнений Стокса с разрывным коэффициентом вязкости нам не известны какие-либо опубликованные теоретические результаты за исключением анализа сходимости одного алгоритма из диссертации [7]. В настоящей диссертации проводится анализ метода конечных элементов, итерационного метода, а также доказываются некоторые результаты для вариационной постановки задачи (10). Особое внимание уделяется получению оценок, не зависящих от е, т.е. от величины скачка в коэффициенте вязкости.

Функция давления (из L2(Q)) определяется из системы (10) с точностью до константы. Поэтому при анализе системы обычно используется какая-либо факторизация пространства L2(fi). Для задачи Стокса с интерфейсом оказалось удобным использовать следующее пространство для давления:

В разделе 1.5.1 доказывается оценка непрерывности и infsup устойчивости для вариационной постановки задачи (10). В подходящих нормах константы в этих оценках не зависят от е. С помощью стандартных рассуждений эти результаты влекут однородные оценки для решения задачи.

В разделе 2.5 для задачи (10) рассматривается метод конечных элементов с использованием конформных пар конечных элементов, удовлетворяющих LBB условию. Основным результатом раздела является доказательство подходящего infsup условия устойчивости, однородного относительно параметров h (шаг сетки) и е. Этот результат используется для получения оценки па ошибку метода конечных элементов.

В пространстве конечных-элементов для давления рассмотрим матрицу масс относительно скалярного произведения с весом (и-1-, •)• В разделе 3.6.1 доказывается, что эта матрица спектрально эквивалентна дополнению по Шуру с константами эквивалентности, не зависящими от параметров, hue. В сочетании с известными результатами о многосеточном методе для уравнений диффузии с интерфейсом это влечет универсальную сходимость ряда переобусловлеппых итерационных методов для решения задачи Стокса с интерфейсом. В качестве примера рассматривается метод Узавы и переобусловленный метод MINRES. Для этих методов результаты численных экспериментов приводятся в разделе 3.6.2. Заметим, что алгоритм для задачи типа Стокса с большим разбросом коэффициентов рассмотренный в [7] требует на каждой итерации точного решения обычной задачи Стокса и не допускает выбор итерационных параметров па основе вариационных принципов. Более того, анализ в [7] проводится для дифференциальной задачи, а не для соответствующей дискретной.

Для полноты картины отметим, что в работе [172] изучается случай, если вместо М используется более стандартное пространство для давления - Lg(O). Этот анализ весьма похож на приведенный в диссертации, поэтому он не включен в нее. Сравнение этих результатов, которые в некотором смысле не улучшаемы, показывает, что анализ вариационной задачи и метода конечных элементов в пространстве М является более естественным, чем в Lq(Q). Более того, использование для конечно-элементного пространства давления факторизации из Lq(Q) приводит к зависимости в оценке для переобусловлеиного дополнения Шура от скачка в коэффициенте вязкости вида К

Результаты численных экспериментов в разделах 3.6.2 и 2.4.4 получены с помощью пакета DROPS ([91]) и любезно предоставлены Йоргом Петерсом.

Основные результаты для задачи Стокса с интерфейсом следующие. Благодаря правильному выбору факторизации пространства для давления и весовых норм доказано универсальное (относительно скачка в коэффициенте вязкости) inf-sup условие устойчивости, как для дифференциальной задачи (теорема 1.10), так и для конечно-элементной (теорема 2.6). Предложен переобуславливатель для дополнения Шура дискретной задачи, для которого доказана оценка, не зависящая от £ и h (теорема 3.12).

Системы типа Осеена.

Следующей темой диссертации является численное решение уравнений типа Осеена, т.е. системы

Как обсуждалось выше (см. стр. 16), обе системы возникают при применении неявных схем по времени для уравнений Навье-Стокса в вихревой и конвективной форме, соответственно.

Построение универсальных итерационных методов для задач типа Осеена является давно стоящей и актуальной проблемой. Универсальность понимается относительно параметров и и а (при этом самым трудным считается случай а = 0). Заметим, что свойства систем существенно зависят от функций w и а, и вряд ли представляется возможным построение итерационных методов удовлетворительно работающих при любых w € Lqo или а € Н1. В настоящее время разумной представляется задача построения универсальных итерационных методов хотя бы для w или

-u Au + w х u + au + VP = f в О, divu = 0 в О,,

П) и системы

-vAu + а • Vu + au + Vp = f в О, divu = 0 в fi.

12) а "простого" вида, отвечающего набору модельных течений. Даже в такой постановке задача оказывается трудной. За последние 10 лет можно назвать всего четыре относительно успешных попытки продвинуться в данном направлении. Перечислим их. Во-первых, назовем переобуславливатель Элмана (1999) [78] для конвективной формы системы Осеепа. Численные эксперименты показывают, что он универсален по вязкости (по и) только для параллельных течений. Более того, сходимость методов на подпространствах Крылова, использующих данный переобуславливатель, имеет зависимость от шага сетки. Следующий подход - это переобуславливатель, предложенный автором [183] для вихревой формы системы. Об этом переобуславливателе пойдет речь в диссертации. Он универсален по вязкости и шагу сетки при а > 0, если а = 0 имеет место некоторая зависимость от и. Далее, переобуславливатель Кея-Логхина (2001) [100, 101] для конвективной формы системы Осеена. Это на настоящий момент самая удачная попытка для системы Осеена в конвективной форме. Переобуславливатель универсален по шагу сетки, но дает рост числа итераций вида О (г/") даже в случае параллельных течений. Наконец, подход Беици (2004) [38]. Численные эксперименты показывают универсальность по вязкости для параллельных и циркулирующих двумерных течений, однако имеет место некоторая зависимость сходимости от шага сетки. Подход Бепци просто реализуем только для вихревой формы системы, дальнейшее его обсуждение и сравнение с методом предложенным автором можно найти в [39]. Отметим, что все перечисленные подходы пока носят полу-эмпирический характер. Теоретический анализ ограничивается системами с постоянными функциями w или а и такими краевыми условиями, которые позволяют проводить анализ Фурье, либо допускают коммутируемость операторов div и А. Таким образом, построение переобуславливателя, не приводящего к зависимость от шага сетки и дающего универсальность по вязкости хотя бы для простых течений, является сегодня актуальной задачей, привлекающей внимания ученых.

Прежде, чем вести речь об итерационных методах решения алгебраических систем, возникающих из метода конечных элементов для систем Осеепа, необходимо найти адекватные (устойчивые) формулировки метода конечных элементов. Этому вопросу посвящена достаточно обширная литература. Результаты автора по этой теме опубликованы в [177, 169, 175]. В диссертации данному вопросу отведен раздел 2.6, где изложение следует статьям [177] и [169].

Принято считать, что существует две причины, порождающие неустойчивость методов конечных элементов для уравнений Навье-Стокса и системы Осеена. Одна из них - это возможная несовместимость аппроксимаций для скоростей и давления. Эта причина устраняется либо выбором аппроксимаций, удовлетворяющих LBB условию, либо использованием, так называемых, методов стабилизации давления. Другая причина происходит из доминирования конвективных членов при больших числах Рейнольдса. Для конечно-разностных аппроксимаций давно известно, что в этом случае следует использовать разности против потока. Для конечных элементов также существует несколько методов, сочетающих устойчивость и высокий порядок сходимости. Приведем некоторые названия: streamline upwind/ pressure stabilizing Petrov-Galerkin (SUPG/PSPG) метод, the Galerkin/ Least-squares (GLS) и методика известная как algebraic sub-grid scale (ASGS) techniques, см., например, [80, 70, 135, 148, 150]. Перечисленные методы одновременно подавляют возможные нефизические осцилляции в приближенном решении и позволяют использовать аппроксимации скорости-давления, не удовлетворяющие LBB условию, например, использовать для скорости и давления конечные элементы одинакового порядка.

Основными недостатками стабилизированных методов конечных элементов принято считать, во-первых, появление дополнительных стабилизирующих членов, вычисление которых может забирать ощутимую часть компьютерного времени, и усложнять структуру матриц в системах линейных алгебраических уравнений; во-вторых, чувствительность методов к выбору значений для некоторого набора параметров (параметров стабилизации). Неправильный выбор этих параметров приводит либо к потери устойчивости, либо к ухудшению точности.

В диссертации анализ стабилизированных методов конечных элементов для уравнений типа Осеена ведется согласно следующей схеме. Сначала анализируются, так называемые, сокращенные схемы стабилизации. Эти схемы получаются из полного метода Петрова-Галеркина путем исключения членов, связанных со стабилизацией давления. Это приводит к сокращению части дополнительных слагаемых, и такие схемы часто используют на практике в сочетании с LBB-устойчивыми аппроксимациями. Однако анализ таких схем для конформных конечных элементов в литературе отсутствует. Более того, было обнаружено, что для анализа сокращенных схем удобным является использование некоторого inf-sup условия для аппроксимаций скорости-давления, отличающегося от LBB условие. Мы называем его модифицированным inf-sup условием. Оно выглядит следующим образом: inf sup ltVZfhl > А > 0, (13)

P^uAllVp/JIIHI V У где /?i не зависит от h. Использование (13) позволяет получить оценки устойчивости для сокращенных схем па большем интервале по числу Рейнольдса, чем использование LBB условия. Условие (13) удается доказать для LBB-устойчивых аппроксимаций при некоторых, впрочем, весьма жестких, ограничениях па сетку, см. раздел 2.6.2. В разделе 2.6.2 приводится анализ и без использования модифицированного inf-sup условия. Затем в разделе 2.6.3 проводится анализ полностью стабилизированного метода конечных элементов, т.е. допускающего использование LBB-неустойчивых аппроксимаций скорости-давления. Для обоих подходов выводятся формулы для выбора параметров стабилизации, основанные на минимизации правой части в априорных оценках для ошибки метода конечных элементов. Новым в доказываемых результатах является еще и то, что наряду с задачей Осеена (12) рассматривается линеаризованная задача в вихревой форме, т.е. (11). Ранее в литературе стабилизация метода конечных элементов для (11) встречалась только для случая w = const [69, 70] (моделирование эффекта Кориолисовых сил).

Более детальное обсуждение и мотивацию методов стабилизации для задачи Осеепа можно найти в разделе 2.6. Заметим только, что Vdiv-стабилизация, детально изученная для задачи Стокса, остается важной и продолжает использоваться в стабилизированных методах конечных элементов для задачи Осеена. Раздел 2.6 завершается параграфом 2.6.4 с результатами численных экспериментов, иллюстрирующих теорию.

Основные результаты диссертации для линеаризованной задачи Навье-Стокса состоят в следующем. Для системы типа Осеепа в вихревой форме предложен переобуславливатель для дополнения Шура. С помощью анализа Фурье и численных экспериментов продемонстрирована эффективность данного переобуславливаиия по сравнению известными. Получены оценки для дополнения Шура линеаризованных систем, если в качестве переобуславливателя выбираются те же операторы, что и в симметричном случае. Показана зависимость констант эквиваленстно-сти от параметров (теорема 1.11). Предложен метод стабилизации конечных элементов, подходящий для вихревой формы линеаризованной системы Навье-Стокса. Для вихревой и конвективной форм получены оцеики сходимости стабилизированного метода конечных элементов для различных вариантов стабилизации (теоремы 2.10, 2.11, 2.13 и 2.14). Предложен, ранее отсутствующей, анализ сходимости сокращенных схем стабилизации для системы Осеена, широко использующихся на практике (теорема 2.12). Оценки сходимости детально иллюстрируются результатами численных экспериментов, которые показывают оптимальность оценок.

Система Навье-Стокса.

Построение универсальных по числу Рейиольдса численных методов решения уравнений Навье-Стокса (включая анализ, доказывающий универсальность) находится, по-видимому, вне круга проблем, которые будут решены в ближайшие годы. Исключение может представлять двухмерный случай, для которого существует доказательство глобального существования и единственности решения системы Навье-Стокса. Среди большого количества работ, посвященных численному решению уравнений Навье-Стокса, включая анализ нелинейных итерационных методов, отметим работы российских ученых [10, 11, 12], а также монографии [84, 150], являющиеся прекрасным изложением теоретических ([84]) и практических ([150]) вопросов решения уравнений Навье-Стокса методом конечных элементов.

В настоящей диссертации результаты для уравнений Навье-Стокса носят больше иллюстрационный характер, - необходимость численно решать рассматриваемые линейные задачи возникает при использовании тех или иных схем для расчета течений несжимаемой вязкой жидкости. В разделе 1.6 приводятся примеры таких схем. Более сложные двухуровневые схемы для уравнений Навье-Стокса рассмотрены автором в работе [184]; в диссертацию эти результаты не вошли. В разделе 2.7 обсуждается применение стабилизированного метода конечных элементов для аппроксимации уравнений Навье-Стокса. Далее приводятся результаты расчетов двух двухмерных течений, являющихся стандартными тестовыми примерами. Полученные результаты сравниваются с известными из литературы. Наконец, в разделе 3.8 приводятся результаты по сходимости нелинейных итерационных алгоритмов расчета уравнений Навье-Стокса и показывается, как линейные методы из предыдущих разделов работают в качестве составных частей этих нелинейных итераций.

Обозначения и соглашения

Ббльшая часть результатов диссертации относится к вычислительной линейной алгебре, однако доказательства во многом базируются на результатах по аппроксимации (метод конечных элементов) и оценках решений дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому в монографии соседствуют математические объекты разной "природы". Для избежании путаницы автор будет придерживаться следующих правил: прописными буквами (f,g,u) обозначаются функции из гильбертовых пространств (]Ь2, Н1); жирным шрифтом (f, g,u) обозначаются вектор-функции из гильбертовых пространств, которые тоже обозначаются жирным шрифтом (L2, Н1); функции, порожденные конечными элементами, имеют нижний индекс h (fh,9h,Uh или fft, g/i, U/j для конечно-элементных вектор-функции), пространства конечных элементов также помечаются индексом h (Vи или

Vfc); прямым шрифтом (f,g, u,x) обозначаются вектора из R". Как правило, это вектора коэффициентов разложения конечно-элементных функций по базису.

Матрицы обозначаются заглавными латинскими буквами (A, W), а функциональные пространства прямым полужирным (V, Н) за исключением пространств вектор-функций, которые обозначаются жирным (V, Н).

Если явно не накладываются другие ограничения, то Q - ограниченная Липшицева область в Rd, d — 2,3, dQ - граница, n - внешняя нормаль к границе.

Евклидово скалярное произведение в R" будет обозначаться (•,•), а норма || • ||. Через (•, ■) и (снова) || • || будут обозначаться скалярные произведения в L2(fi) и L2(fi). Стандартная норма в пространстве Соболева обозначается || • Ц*. Мы будем использовать следующие обозначения „ \ du dv .

Vu.V,) := j-l J J d

Vu, Vv) := ^(Vuf.Vuj), t=i порожденную данными формами полунормы на Н1^) и Н1^) будем обозначать | ■ |i := ||V • ||.

Символ х используется для обозначения векторного произведения, curlu := (V х и), в двухмерном случае curl и := —du\jdxi + duijdx\ и

Г —auo а х u = —и х а := < у ащ для скалярной функции а и векторной и.

Будем придерживаться следующих обозначений для встречающихся пространств: Hj := Hg(f)) - пространство функций из И1 равных нулю на границе fl Hj - пространство вектор-функций, каждая компонента которых принадлежит Hj. Hj определено на стр. 36. Далее

L° W H(div) Ho(div) H(curl) U

U := q G L2 : (q, 1) = 0}, снабжено L2 — нормой Hj x L°, u 6 L2(ft),divu 6 Ья(П)} , ||u||H(div) = (||u||2 + ||divu||2)^ u e H(div) : un = 0} , u £ L2(fi), curlu G L2(£))2"-3} , u||H(cur.) = (||u||2 + ||cUrlu||2)i

H0(div) П H(curl), u||u := (||u||2 + ||divu||2 + ||curlu||2)i {u e и : curlu = 0}.

Для пространств конечно-элементных функций используются обозначения УЛ С HJ, УЛ С н£, QA С Wft = УЛ х Qa.

У* обозначает пространство конечно-элементных функций относительно к-ого уровня в иерархии триангуляций области.

Xk - пространство коэффициентов разложения конечно-элементных функций из V* по (нодальному) базису. Также используются пространства

М := {qe L2: {v~lq, 1) = 0}, \\q\\M := {v~lq, M/j С M — конечно-элементная аппроксимация M здесь v - кусочно-постоянная положительная функция на £), см. стр. 74. На пространстве Hj встречается норма ||u||„ = (z/u, и) 2.

Везде в работе через С, с, Cq, С\ и т.п. обозначаются некоторые абсолютные константы, конкретные значения которых не имеют существенного значения. Эти константы не зависят от параметров, входящих в формулировку уравнений, от параметров дискретизации. Когда речь идет о конечномерных пространствах, то константы не зависят от размерности.

Константа из неравенства Пуанкаре-Фридрихса обозначается через с положительной константой cq. Н-1 - пространство сопряженное к Hj(f2) относительно скалярного произведения из L2.

Говорят, что для пары конечно-элементных пространств (скалярных функций Qh и вектор функций V/,) выполнено LBB условие (аббревиатура происходит от фамилий Ладыженская, Babushka, Brezzi), если где /3 > 0 не зависит от h для семейства триангуляции Семейство параметризуется набором значений h > 0 (максимального диаметра триан-гуляций), которые могут быть произвольно малы. Здесь и везде в монографии infx или supj. берутся для х ф 0, если х появляется в знаменателе.

Запись А > В для операторов (матриц) А и В означает (Ах,х) > (Бх,х), Vx^O.

Средним показателем сходимости итерационного метода будем называть величину q = С11г" 11 /11r011)гДе г° ~ вектор начальной невязки, г" - вектор невязки после остановки вычислений, п - число сделанных итераций.

CF: imi < Cf||Vu|| V U е Hj(fi). Мы будем ссылаться па неравенство Нечаса:

Co\\q\\ < ||V9||h-. v q е L°

P\\Ph\\, V^eQft

14)

3.9 Выводы

В этой главе были рассмотрены миогосеточиые и переобусловлеииые итерационные методы для уравнений и систем уравнений в частных производных, представленных в главе 1. Как уже отмечалось, эти уравнения имеют особенности при стремлении некоторых физических или численных параметров к своим критическим значениям. Поэтому в этой главе были предложены и изучались итерационные методы, имеющие не только оптимальную арифметическую сложность, но и достаточно быструю сходимость при всех допустимых значениях параметров. Для обоснования этих свойств для многосеточных методов были доказаны нетривиальные оценки на норму матриц итераций. Эти оценки являются равномерными по параметрам и шагу дискретизации или числу сеточных уровней, они были получены путем доказательства соответствующих свойств сглаживания и аппроксимации на матричном уровне, что, в свою очередь, существенно использовало результаты предыдущих глав. Для переобусловленных методов доказаны равномерные оценки на собственные значения переобусловленных матриц. Теоретические результаты главы проиллюстрированы данными численных экспериментов.

Заключение

В настоящей работе предложены и изучены многосеточные алгоритмы и переобуславливатели, обеспечивающие равномерную по параметрам задачи сходимость итерационных методов решения широкого круга задач математической физики. Оценки сходимости доказаны и приведены в виде теорем.

Как основные достижения работы отметим следующие результаты:

1. Доказательство равномерной сходимости W-цикла для устойчивой конечно-элементной аппроксимации модельной задачи конвекции диффузии с краевыми условиями Дирихле и смешанными краевыми условиями без предположений на малость самой грубой сетки. Доказательство базируется па "тонких" оценках для дифференциальной задачи и метода конечных элементов; в силу непериодических краевых условий и использования метода конечных элементов исследование не могло быть проведено с помощью анализа Фурье.

2. Для консервативной (квази-)линеаризации уравнений Навье-Стокса в вихревой форме предложен блочный переобуславливатель обеспечивающий универсальность итерационного метода для линейной задачи. Проведен его анализ в двумерном периодическом случае.

3. Доказательство универсальных оценок для переобуславливателя Каху

Шабата для обобщенной задачи Стокса в областях, допускающих Я2 регулярность задачи Пуассона. Переобуславливатель был предложен в 1988 году. Вопрос получения универсальных оценок оставался открытым 10 лет.

4.Для системы уравнений с косо-симметрической реакцией, вспомогательной при решении уравнений Н.-С. в вихревой форме, доказаны равномерные по параметрам оценки устойчивости метода конечных элементов и предложен универсальный мпогосеточный метод. В случае П G I2 доказаны оценки сходимости W-цикла многосеточного метода, не зависящей от набора параметров при некоторых ограничениях на функцию вихря.

5. Для задачи Стокса с интерфейсом доказано равномерное (относительно скачка в коэффициенте вязкости) inf-sup условие устойчивости, как для дифференциальной задачи, так и для конечно-элементной. Получены оптимальные оценки сходимости метода конечных элементов в специально выбранных нормах. Предложен переобуславливатель для дополнения Шура дискретной задачи, для которого доказана оценка, не зависящая от е и h. Это позволило построить блочные итерационные методы, обладающие свойством универсальности.

6. Впервые доказаны результаты о сходимости широко используемого на практике "сокращенного" стабилизированного метода конечных элементов (SUPG) для задачи Осеена.

7. Проведен единый анализ сходимости стабилизированных методов конечных элементов для линеаризованных уравнений Навье-Стокса как в конвективной, так и в вихревой форме.

8. Весь теоретический материал диссертации детально иллюстрирован многочисленными численными примерами.

1. Бахвалов, Н.С.: О сходимости одного релаксационного метода для эллиптического оператора с естественными ограничениями, ЖВМиМФ, 6 (1966), С. 101-135.

2. Бахвалов, Н.С., Кобельков Г.М., Чижонков, Е.В.: Итерационный метод решения эллиптических задач со скоростью сходимости, не зависящей от разброса коэффициентов, Препринт N 190, М.: ОВМ АН СССР, 1988.

3. Бахвалов, Н.С., Богачев, К.Ю., Мэтр, Ж.Ф.: Эффективный алгоритм решения жестких эллиптических задач с приложениями к методу фиктивных областей,ЖВМиМФ, 39 (1999), С. 919-931.

4. Бахвалов, Н.С.: Эффективные методы решения жестких многомерных многопараметрических задач,ЖВМиМФ, 39 (1999), С. 2019— 2049.

5. Бахвалов, Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М., Численные методы, Москва: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

6. Богачев, К.Ю.: Эффективный алгоритм решения эллиптических задач с большими параметрам и, ЖВМиМФ, 40 (2000), С. 402-415.

7. Брусникин, М.Б.: Применения метода фиктивных областей для решения задач математической физики в неодносвязном случае, Дис. на соискание уч. степ. канд. Физ-мат. наук, мех-мат. МГУ им. Ломоносова, Москва, 2002.

8. Дьяконов, Е.Г.: О некоторых прямых и итерационных методах, основанных на окаймлении матриц, Числ. методы в мат. физ. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 6 (1979), С. 45-68.

9. Калпуш, Т. В., Шайдуров, В.В., Дифференциальная схема доя уравнений конвекции-диффузии на ориентированной сетке, Вычислительные технологии, 4 (1999), С. 72-85.

10. Кобельков Г.М. Разностная схема доя расчетов нестационарных уравнений Навье-Стокса, ЖВМиМФ, 24 (1984), С. 294-304.

11. Кобельков Г.М., О численных методах решения уравнений Навье-Стокса в переменных скорость-давление, Вычислительные процессы и системы, Выпуск 8, Москва: Наука, 1991, С. 204-237.

12. Кобельков Г.М., Симметричные аппроксимации уравнений Навье-Стокса, Мат. Сборник 193 (2002), С. 87-108.

13. Кондратьев, В.А., Олейник, О.А. (1988): Краевая задача для системы теории упругости в неограниченных областях. Неравенства Корна, Успехи Мат. Наук., 43, С. 65-119

14. Ладыженская О.А., Краевые задачи математической физики, Москва: Наука, 1973.

15. Непомнящих, С.В.: Метод декомпозиции областей для разрывных коэффициентов, Техн. отчет N 891. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1990.

16. Пальцев Б.В., Быстосходящиеся итерационные методы с полным расщеплением граничных условий для многомерных сингулярно возмущенных систем типа Стокса, Мат. Сборник. 185 (1994), N9, С. 109-138.

17. Пальцев Б.В., Быстосходящиеся итерационные методы с неполным расщеплением граничных условий для многомерных сингулярно возмущенных систем типа Стокса, Мат. Сборник. 185 (1994), N4, С. 101-150.

18. Пальцев Б.В., Чечель И.И., О релизации билинейными к онечными элементами итерационных методов с неточным расщеплением краевых условий для систем типа Стокса в прямоугольнике, ЖВМиМФ, 39 (1999), С. 1828-1854.

19. Седов, Л.И., Механика сплошной среды, Наука, Москва, 1970

20. Федоренко, Р.П., О скорости сходимости одного итерационного про-цесса,ЖВМиМФ, 4 (1964), С. 227-235.

21. Чижонков, Е.В., О методе Эрроу-Гурвица с переменными итерационными параметрами, Известия Вузов, Математика, 1999,, по. 5, С. 65-72.

22. Чижонков, Е.В., Релаксационные методы решения седловых задач, Москва: ИВМ РАН, 2002.

23. Шайдуров, В.В., Многосеточный итерационный алгоритм для решения стационарной разностной задачи Стокса , Вычислительные процессы и системы, Выпуск 6, Москва: Наука, 1988, С. 264-270.

24. Шайдуров, В.В., Многосеточные методы конечных элементов, Москва: Наука, 1989.

25. Шишкин, Г.И., Сеточная аппроксимация сингулярно возмущенных краевых задач на локально переизмельчаемых сетках. Уравнения реакции-диффузии, ЖВМиМФ, 40 (2000), С. 680-691.

26. Шишкин, Г.И., Аппроксимация сингулярно возмущенных уравнений реакции-диффузии на адаптивных сетках, Математическое моделирование, 13 (2001), С. 103-118.

27. Armaly, B.F., Durst, F., Pereira, J.С., and Schonung, В., Experimental and theoretical investigation of backward-facing step, J. Fluid Mech., 127 (1983), P. 473-496.

28. Auteri, F., Parolini, N., Quartapelle, L., Numerical investigation on the stability of singular driven cavity flow, J. Comput. Physics, 183 (2002), P. 1-25.

29. Axelsson, O., Iterative solution methods, Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1994.

30. BabuSka, I., The finite element method with lagrangian multipliers, Numer. Math., 20 (1973), P. 179-192.

31. BabuSka, I., The finite element method for elliptic problems with discontinuous coefficients, Computing, 5 (1970), P. 207-213.

32. Babu§ka, I., Aziz, А.К. On the angle condition of the finite element method, SI AM J. Numer. Anal., 13 (1976), P. 214-226.

33. Babu§ka, I., Caloz, C., Osborn, J., Special finite element methods for a class of second order elliptic problems with rough coefficients, SI AM J. Numer. Anal., 31 (1994), P. 945-981.

34. Bakhvalov, N.S., Solution of the Stokes nonstatonary problem by the fictitious domain method, Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling, 10 (1995), P. 163-172.

35. Bank, R.E., Dupont, Т., Yserentant, H.: The hierarchical basis multigrid method. Numer. Math., 52 (1988), P. 427-458.

36. Bank, R.E., Welfert, B.D., and Yserentant, H., A class of iterative methods for solving saddle point problems, Numer. Math., 56 (1990), P. 645-666.

37. Bank R.E., Benbourenane M., The hierarchical basis multigrid method for convection-diffusion equations, Numer. Math., 61 (1992), P. 7-37.

38. Benzi, M., HSS preconditioning for the Oseen problem, in Proc. of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS 2004 (Eds. P. Neittaanmaki, etc.), 2004

39. Benzi, M., Liu, J., An Efficient Solver for the Incompressible Navier-Stokes Equations in Rotation Form, Dept. of Math, and Сотр. Sci., Emory University, Technical report TR-2006-006-A, 2006.

40. Bercovier, M., Pironneau, O., Error estimates for finite element method solution of the Stokes problem in primitive variables Numer. Math., 33 (1979), P. 211-224.

41. Bernardi, C., Verfiirth, R., Adaptive finite element methods for elliptic equations with non-smooth coefficients, Numer. Math., 85 (2000), P. 579-608.

42. Berrone, S., Adaptive discretization of the Navier Stokes equations by stabilized finite element methods, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 190 (2001), P. 4435-4455.

43. Bey J., Wittum G., Downwind numbering: robust multigrid for convection-diffusion problems, Appl Numer. Math., 23 (1997), P. 177— 192.

44. Blasco, J., Codina, R., Space and time error estimates for a first order, pressure stabilized finite element method for the incompressible Navier-Stokes equations, Appl. Numer. Math., 38 (2001), P. 475-497

45. Brackbill, J.U., Kothe, D.B. and Zemach, C., A continuum method for modeling surface tension, J. Comput. Physics, 100 (1992), P. 335-354.

46. Braess, D., Sarazin R., An efficient smoother for the Stokes problem, Applied Numerical Mathematics, 23 (1997), P. 3-19.

47. Bramble, J.H., Multigrid Methods, Pitman Research Notes in Mathematics, V. 294, John Wiley, New York, 1993.

48. Bramble, J.H. and King, J.T., A finite element method for interface problems in domains with smooth boundaries and interfaces, Advances in Сотр. Math., 6 (1996), P. 109-138.

49. Bramble, J. and Xu, J. Some estimates for a weighted L2 Projection, Math. Сотр., 56 (1991), P. 463-476.

50. Bramble, J.H. and Pasciak, J.E., Iterative techniques for time dependent Stokes problems, Comput. Math. Appl. 33 (1997), P. 13-30.

51. Bramble, J.H., Pasciak, J.E., and Vassilev, A.T., Analysis of the inexact Uzawa algorithm for saddle point problems, SIAM J. Numer. Anal, 34 (1997), P. 1072-1092.

52. Bramble, J.H., Pasciak, J.E., Vassilev, A.T., Uzawa type algorithms for nonsymmetric saddle-point problems, Math. Comput., 69 (2000), P. 667-689.

53. Bramble, J.H., Pasciak, J.E., Vassilevski, P.S., Computational scales of Sobolev norms with application to preconditioning, Math. Comput., 69 (2000), P. 463-480.

54. Bramble, J.H., Pasciak, J.E., Wang, J., Xu, J., Convergence estimates for multigrid algorithms without regularity assumptions, Math. Сотр., 57 (1991), P. 23-45.

55. Bramble, J.H., Pasciak, J.E., Xu, J., Parallel multilevel preconditioners, Math. Сотр., 55 (1990), P. 1-22.

56. Bramble J.H., Pasciak J.E., Xu J. The analysis of multigrid algorithms for nonsymmetric and indefinite problems , Math. Сотр., 51 (1988), P. 389-414.

57. Brandt, A.: Multi-level adaptive solutions to boundary value problems, Math. Comput., 31 (1977), P. 333-390.

58. Brezzi, F., On the existence, uniqueness and approximation of saddle-point problems arising from Lagrange multipliers, RAIRO Anal Numer., 8 (1974), P. 129-151.

59. Brezzi, F., Fortin, M., Mixed and hybrid finite element methods, New-York: Springer-Verlag, 1991.

60. Bruneau, Ch.H., Fabrie, P.Effective downstream boundary conditions for incompressible Navier-Stokes equations, Int. J. Numer. Methods Fluids, 19 (1994), P. 693-705.

61. Bychenkov, Yu.V. and Chizonkov, E.V. Optimization of one three-parameter method of solving an algebraic system of Stokes type, Russ. J. Numer. Anal. Math. Model, 14 (1999), P. 429-440.

62. Cahouet J., Chabard J.P., Some fast 3D finite element solvers for the generalized Stokes problem, Int. J. Numer. Methods Fluids., 8 (1988), P. 869-895.

63. Chang, Y.C., Hou, T.Y., Merriman, В., Osher, S., Eulerian capturing methods based on a level set formulation for incompressible fluid interfaces, J. Comput. Phys., 124 (1996), P. 449-464.

64. Chen, Z. and Zou, J., Finite element method and its convergence for elliptic and parabolic interface problems, Numer. Math., 79 (1998), P. 175-202.

65. Ciarlet, P.G., The Finit Element Method for Elliptic Problems, North-Holland, Amsterdam, 1978.

66. Ciarlet, P.G., Basic error estimates for elliptic problems, Handbook of numerical analysis, V.2, Ciarlet, P.G., Lions J.L. eds., 1991, North-Holand, Amsterdam

67. Codina, R. A finite element formulation for viscous incompressible flows, Centro Internac. Metodos Numer Ing., Politec. Cataluna, Barcelona, 1993.

68. Codina, R., Finite element solution of the Stokes problem with dominating Coriolis force, Comput. Meth. Appl. Mech. Engrg., 142 (1997), P. 215-234

69. Ciarlet, P.G., A stabilized finite element method for generalized incompressible flows, Comput. Meth. Appl. Mech. Engrg., 190 (2001), P. 2681-2706

70. Dahlke, S., Dahmen, W., Urban, K., Adaptive wavelet methods for saddle point problems—optimal convergence rates. SI AM J. Numer. Anal., 40 (2002), P. 1230-1262.

71. Dahmen, W., Multiscale and wavelet methods for operator equations. Multiscale problems and methods in numerical simulations, P. 31-96, Lecture Notes in Math., 1825, Springer, Berlin, 2003.

72. Dauge, M., Stationary Stokes and Navier-Stikoes systems on two- and three-dimentional domains with corners. Part I: Linearized equations, SI AM J. Math. Anal., 20 (1983), P. 74-97.

73. D'yakonov, E.G.: On triangulation in the finite element method and efficient iterative methods, Topics in Numer. Analys III, Acad. Press, 1979, P. 103-123.

74. Elman, H.C. and Golub, G.H., Inexact and preconditioned Uzawa algorithms for saddle point problems, SIAM J. Numer. Anal., 31 (1994), P. 1645-1661.

75. Elman, H.C., Silvester, D. Fast nonsymmetric iterations and preconditioning for Navier-Stokes equations, SIAM J. Sci. Сотр., 17 (1996), P. 33-46.

76. Elman, Н.С., Silvester, D., Wathen, A., Perfomance and analysis of saddle point preconditioners for discrete steady-state Navier-Stokes equations, Numer. Mathem., 90 (2002), P. 665-688.

77. Elman, H.C., Preconditioning of the steady-state Navier-Stokes equations with low viscosity SIAM J. Sci. Сотр., 20 (1999), P. 12991316.

78. Eriksson, K., Johnson, C., Adaptive streamline diffusion finite element methods for stationary convection-diffusion problems, Math. Сотр., 60 (1993), P. 167-188

79. Franca, L. P., Frey S. L., Stabilized finite element methods. II. The incompressible Navier-Stokes equations Comput. Meth. Appl. Mech. Engrg., 99 (1992), P. 209-233.

80. Garbey, M., Kuznetsov, Yu.A., Vassilevski, Yu.V. A parallel Schwarz method for convection-diffusion problem SIAM J. Sci. Сотр., 22 (2000), P. 891-916.

81. Gartling, D.K., A test problem for outflow boundary conditions flow over the back-facing step, Int. J. Numer. Methods Fluids, 11 (1990), P. 953-967.

82. Ghia, U., Ghia, K.N., Shin, C.T., High-Re solutions for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method, J. Comput. Phys., 48 (1982), P. 387-411.

83. Girualt, V., Raviat, P.A.,Finite element methods for Navier-Stokes equations, Berlin: Springer-Verlag, 1986.

84. Glowinski, R., and Le Tallec, P. Augmented lagrangian and operator splitting methods in nonlinear mechanics, SIAM, Studies in Applied Mathematics, Philadelphia, 1989.

85. Gresho, P.M., Incompressible fluid dynamics: some fundamental formulation issues, Annual. Rev. Fluid Mech. 23(1991), P.413-453.

86. Gresho, P.M., Sani, R.L., On pressure boundary conditions for incompressible Navier-Stokes equations, Int. J. numer. methods fluids. 7 (1987), P. 1111-1145.

87. Griebel, M., Oswald, P., Tensor product type subspace splittings and multilevel iterative methods for anisotropic problems, Adv. Comput. Math. 4 (1995), P. 171-206.

88. Grisvard P., Elliptic problems in nonsmooth domains, Boston: Pitman, 1985.

89. Gross, S., Jorg, P., Reichelt, V., Reusken,A., The DROPS Package for Numerical Simulations of Incompressible Flows Using Parallel Adaptive Multigrid, IGPM RWTH-Aachen, Technical report No 211 (2002), (http://www. igpm.rwth-aachen.de/reports).

90. Hackbusch, W., Ein iteratives Verfahren zur schnellen Auflosung elliptischer Randwertpromleme, Universitat Koln, Report 77-8, 1977.

91. Hackbusch, W., Multi-grid Methods and Applications, Berlin, Heidelberg: Springer, 1985.

92. Hackbusch, W., Iterative solution of large sparse systems of equations, New-York, Berlin: Springer, 1994.

93. Hackbusch W., Probst Т., Downwind Gauss-Seidel smoothing for convection dominated problems, Numer. Linear Algebra Appl. 4 (1997) P. 85-102.

94. Hakopian, Yu. R.; Kuznetsov, Yu. A., Algebraic multigrid/substructuring preconditioners on triangular grids, Soviet J. Numer. Anal. Math. Modelling, 6 (1991), P. 453-483.

95. He, J., A fully discrete stabilized finite element method for the time-dependent Navier-Stokes problem, IMA J. Numer. Anal., 23 (2003), P. 665-691

96. Johannsen K. Robust smoothers for convection-diffusion problems. Preprint IWR, University of Heidelberg, 1999.

97. Karki К.С., Sathyamurthy P.S., Patankar S.V., Performence of a multigrid method with an improved discretization scheme for three-dimensional fluid flow calculations, Numer. Heat Transfer B, 29 (1996), P. 275-288.

98. D. Kay, D. Loghin, A Green's function preconditioner for the steady state Navier-Stokes equations, Oxford University Computing Lab., report 99/06 (1999).

99. D. Kay, D. Loghin, A. Wathen A preconditioner for the steady-state Navier-Stokes equations, SI AM J. Sci.Comput., 24 (2002), P. 237-256.

100. Keskar, J., Lyn, D. A., Computation of a laminar backward-facing step at Re = 800 with a spectral domain decomposition method, Intern. Journal Comput. Fluid Dynam., 29 (1999), P. 411 427.

101. Kobelkov G.M. Fictitious domain method and the solution of elliptic equations with highly varying coefficients, Sovet. J. Numer. Anal. Math. Model, 6 (1987), P. 407-418.

102. Kobelkov G.M. On solving the Navier-Stokes equations at large Reynolds numbers, Russ. J. Numer. Anal. Math. Model, 10 (1995), P. 33-40.

103. Kobelkov G.M. On the solution of the boundary value problem for the diffusion equation with highly varying coefficients, Russ. J. Numer. Anal. Math. Model, 11 (1996), P. 487-495.

104. M. Krizek, P. Neittaanaki, R. Glowinski, S. Korotov (eds), Conjugate Gradient Algorithms and Finite Element Methods,(Proceedings of Int.Conf. 50 years of CG) Scientific Computing, Springer-Verlag, Berlin, 2004

105. A. Klawonn, G. Starke, Block triangular preconditioners for nonsymmetric saddle point problem, Numer. Math. 81 (1999), P. 577594.

106. Knobloch, P., Tobiska, L., A streamline diffusion method for nonconforming finite element approximations applied to the linearized incompressible Naver-Stokes equations, in: Proc. 4th Intern. Conf.

107. Numer. Meths. Applic., Sofia 1998, World Sc., Singapore, P. 530-538, 1999.

108. Kuznetsov, Yu.A., Multigrid domain decomposition method for elliptic problems, in: Proc. 8th Intern. Conf. Comput.Meth. for Appl. Sci. and Engng., 1997, V.2, P. 605-616.

109. Lions J.L. Quelques methods de resolution des problemes aux limites nonlineaires, Dunod, 1968.

110. Loghin, D., Analysis of preconditioned Picard iterations for the Navier-Stokes equations, Oxford Univ. Comput. Lab., Report no. 01/10, 2001.

111. Lube G., Stabilized Galerkin finite element methods for convection dominated and incompressible flow problems, Num. Anal, and Math. Modelling, Banach Center publications, 29 (1994), P. 85-104.

112. Mandel J., Multigrid convergence for nonsymmetric, indefinite variational problems and one smoothing step, Appl. Math. Comput., 19 (1986), P. 201-216

113. Marinova R.S., Christov СЛ., Marinov T.T. A fully coupled solver for incompressible Navier-Stokes equations using operator splitting, Intern. Journal Comput. Fluid Dynam., 17 (2003), P. 371-385.

114. Moffatt H., Tsoniber A., Helicity in laminar and turbulent flow, Annual Review of Fluid Mechanics, 24 (1992), P. 281-312.

115. Mulder W., A new multigrid approach to convection problems, J. Comput. Phys. 83 (1989), P. 303-323.

116. Murphy, M.F., Golub, G.H., Wathen, A.J., A note on preconditioning for indefinite linear systems SIAM J. Sci. Comput., 21 (2000), P. 19691972.

117. Naik N.H., van Rosedale J., The improved robustness of multigrid elliptic solvers based on multiple semicoarsened grids, SIAM Numer. Anal, 30 (1993), P. 215-229.

118. Nepomnayaschikh, S.V.: Domain decomposition method for elliptic problems with discontinuous coefficients, Proc. 4-th Conf. Domain

119. Decomposition Methods for Partial Differencial Equations. Philadelphia, PA, SI AM, 1991, P. 242-251.

120. Niijima, K., Poinwise error estimates for a streamline diffusion finite element scheme. Numer. Math., 56 (1990), P. 707-719.

121. Osher, S., Fedkivv, R.P., Level set methods: An overview and some recent results, J. Comput. Phys., 169 (2001), P. 463-502.

122. Patankar S.V., Spalding D.B., A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimentional parabolic flows, Int. J. Heat. Mass. Transfer, 15 (1972), P. 1787-1806.

123. Petzoldt, M., A posteriori error estimators for elliptic equations with discontinuous diffusion coefficients, Advances in Computational Mathematics, 16 (2002), P. 47-75.

124. Persson I., Samuelsson K. , Szepessy A., On the convergence of multigrid methods for flow problems, Electron. Trans. Num. Anal., 8 (1999), P. 46-87.

125. Plum, M. and Wieners, C., Optimal a priori estimates for interface problems, Numer. Math., 56 (2003), P. 735-759.

126. Powell, C., Silvester, D., Black-box preconditioning for mixed formulation of self-adjoint elliptic PDEs. In: Challenges in Scientific Computing CISC 2002, ed. E. Bansch. Lecture Notes in Computational Science and Engineering, V. 35, 2003, P. 268-285.

127. Quarteroni, A. and Valli, A. Numerical approximation of partial differential equations Springer, Berlin, 1997

128. Ramage A., A multigrid preconditioner for stabilised discretization of advection-diffusion problem J.Comput. Appl. Math., 110 (1999), P. 187-203.

129. Rebholz L. G., An energy and helicity conserving finite element scheme for the Navier-Stokes equations, Preprint, Department of Mathematics, University of Pittsburgh, 2006.

130. Reusken A.: A new lemma in multigrid convergence theory, Report 91-07 of the Department of Mathematics and Numerical Analysis of Eindhoven University of Technology, May 1991.

131. Reusken, A., On maximum norm convergence of multigrid methods for two-point boundary value problems, SIAM J. Numer. Anal., 29 (1992), P. 1569-1578

132. Reusken A., Fourier analysis of a robust multigrid method for convection-diffusion equations, Numer. Math., 71 1995, P. 365-397.

133. Reusken A., Convergence analysis of a multigrid method for convection-diffusion equations, Numer. Math., 91 (2002), P. 323-349.

134. Roos, H.-G., Stynes, M., and Tobiska, L.,Numerical methods for singulary perturbed differential equations: convection diffusion and flow problems Springer Ser. in Сотр. Math. V.24, 1996, Springer, Berlin, Heidelberg.

135. Rusten, T. and Winther, R., A preconditioned iterative method for saddlepoint problems, SIAM J. Matrix Anal. Appl., 13 (1992), P. 887904.

136. Sani, R.L., Gresho P.M., Resume and remarks on open boundary conditions minisimposium. Int. J.Numer.Meth.Fluids, 18 (1994), P. 9831008.

137. Silvester, D., Elman, H.C., Kay, D., and Wathen,A., Efficient preconditioning of the linearized Navier-Stokes equations, J. Comput. Appl. Math., 128 (2001), P. 261-279.

138. Silvester, D. Wathen, A., Fast iterative solution of stabilised stokes systems, part II: using general block preconditioners. SIAM J. Numer. Anal, 31 (1994), P. 1352-1367.

139. Schoberl J., Zulehner W., On additive Schwarz-type smoothers for saddle point problems, Report 01-20 of the Inst, of Analysis and Computational Mathematics of Johannes Kepler University Linz, June 2001.

140. Schoberl, J., Multigrid methods for a parameter dependent problem in primal variables, Numer. Math., 84 (1999), P. 97-119.

141. Shishkin, G. I. Optimal piecewise uniform grids for singularly perturbed equations of a convection-diffusion type. Russian J. Numer. Anal. Math. Modelling 16 (2001), P. 157-174.

142. Stevenson, R., A robust hierarhical basis preconditioner on general meshes, Numer. Math., 78 (1997), P. 369-303.

143. Stevenson, R., Robustness of multi-grid applied to anisotropic equations and equations with re-entered corners, Numer. Math., 66 (1993), P. 373-398.

144. Temam, R., Navier-Stokes Equations. Theory and Numerical Analysis, North-Holland, Amsterdam, 1977.

145. Thompson, M.C., Ferziger J.H., An adaptive multigrid teqnique for the incompressible Navier-Stokes equations, J. Comput. Phys., 82 (1989), P. 94-121.

146. Tobiska, L., and Verftirth, R., Analysis of a streamline diffusion finite element method for the Stokes and Navier-Stokes equations, SIAM J. Numer. Anal., 33 (1996), P. 107-127.

147. Tornberg, A.-K., Engquist, В., A finite element based level-set method for multiphase flow applications, Comput. Visual. Sci., 3 (2000), P. 93101.

148. Turek, S., Efficient solvers for incompressible flow problems: An algorithmic approach in view of computational aspects, LNCSE V.6., Springer, Berlin, Heildelberg, 1999.

149. Vanka, S.P., Block-implicit multigrid solution of Navier-Stokes equations in primitive variables, Journal of Computational Physics, 65 (1986), P. 138-158.

150. Verfiirth, R., A combined conjugate gradient-multigrid algorithm for the numerical solution of the Stokes problem, IMA J. Numer. Anal., 4 (1984), P. 441-455.

151. Vertirth, R., A multilevel algorithm for mixed problems,SIAM J. Num. Anal., 21 (1984), P. 264-271.

152. Schatz, A.H. and Wahlbin, L.B., On the finite element method for singularly perturbed reaction-diffusion problems in two and one dimensions,Math. Сотр. 40 (1983), P. 47-89.

153. Wahlbin, L.B., Local behavior in finite element methods. In: Handbook of Numerical Analysis, Vol.11 Finite element methods (eds. P.G. Ciarlet, J.L. Lions), North-Holland, Amsterdam, 1991, P. 353-522

154. Wang J., Convergence analysis of multigrid algorithms for nonselfadjoint and indefinite elliptic problems, SIAM J. Numer. Anal., 30 (1993), P. 275-285.

155. Wathen, A., Realistic eigenvalues bounds for the Galerkin mass matrix, IMA J. Numer. Anal., 7 (1987), P. 449-457.

156. Wittum, G., On the robustness of ILU smoothing, SIAM Journal on Scientific Computing, 10 (1989), P. 699-717.

157. Wittum, G., Multi-grid methods for Stokes and Navier-Stokes equations with transforming smoothers: algorithms and numerical results, Numer. Math., 54 (1989), P. 543-563.

158. Wittum, G., On the convergence of multi-grid methods with transforming smoothers, Numer. Math., 57 (1990), P. 15-38.

159. Xu, J., Iterative methods by space decomposition and subspace correction. SIAM Review 34 (1992), P. 581-613.

160. Yserentant, Н., Old and new convergence proofs for multigrid methods, Acta Numerica 1993, P. 285-326.

161. Yserentant, H., Two preconditioners based on the multi-level splitting of finite element spaces, Numer. Math., 58 (1990), P. 163-184.

162. Zeeuw P.M. de, Matrix-dependent prolongations and restrictions in a blackbox multigrid solver, J. Comput. Appl. Math. 33 (1990), P. 1-27.

163. Zhou, G., How accurate is the streamline diffusion finite element method, Math. Comput., 66 (1997), P. 31-44.

164. Zulehner, W., Analysis of iterative methods for saddle point problems: A unified approach, Math. Сотр., 71 (2001), P. 479-505.

165. Публикации автора по теме диссертации.

166. Olshanskii М.А., Reusken A., Analisys of a Stokes interface problem, Numerische Mathematik, 103 (2006), P. 129-149.

167. Ольшанский M.A., Лекции и упражнения по многосеточным методам, Физматлит, Москва, 2005.

168. Gelhard Т, Lube G., Olshanskii М.А., Starcke J.-H., Stabilized finite element schemes with LBB-stable elements for incompressible flows, J. Comput. Appl. Math. 177 (2005), P. 243-267.

169. Ольшанский M.A., Анализ многосеточного метода для уравнений конвекции-диффузии с краевыми условиями Дирихле, ЖВМиМФ, 44 (2004), С. 1462-1491.

170. Olshanskii М.А., Reusken A., Convergence analysis of a multigrid solver for a finite element method applied to convection-dominated model problem, SI AM J.Num. Anal. 43 (2004), P. 1261-1291.

171. Olshanskii M.A., Reusken A., A Stokes interface problem: stability, error estimate and a solver, in Proc. of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS 2004 (Eds. P. Neittaanmaki, etc.), 2004.

172. Olshanskii M.A., Reusken A., Grad-Div stabilization for the Stokes equations, Mathematics of Computation, 73 (2004), P. 1699-1718.

173. Olshanskii М.А., Preconditioned iterations for the linearized Navier-Stokes system in rotation form, in Computational Fluid and Solid Mechanics 2003, K.J. Bathe (Editor) , Elsevier, 2003, P. 1074-1077

174. Olshanskii M.A., A low order Galerkin finite element method for the Navier-Stokes equations of steady incompressible flow: A stabilization issue and iterative methods, Сотр. Meth. Appl. Mech. Eng., 191 (2002), P. 5515-5536

175. Olshanskii M.A., Reusken A., Navier-Stokes equations in rotation form: a robust multigrid solver for the velocity problem, SIAM J. Sci. Сотр., 23 (2002), P. 1682-1706

176. G.Lube, Olshanskii M.A., Stable finite element calculations of incompressible flows using the rotation form of convection, IMA J. Num. Anal., 22 (2002), P. 437-461.

177. Olshanskii M.A., Reusken A., On the convergence of a multigrid method for linear reaction-diffusion problems, Computing, 65 (2000), P. 193-202.

178. Chizhonkov E.V., Olshanskii M.A., On the domain geometry dependence of the LBB condition. Math. Modelling Numer. Anal: M2AN, 34 (2000), P. 935-951.

179. Ольшанский M.A., Чижонков E.B., О наилучшей константе в inf-sup условии для вытянутых прямоугольных областей, Математические заметки, 67 (2000), С. 387-396.

180. Kobelkov G.M., Olshanskii М.А., Effective Preconditioning of Uzawa Type Schemes for Generalized Stokes Problem, Numerische Mathematik, 86 (2000), P. 443-470.

181. Olshanskii M.A., Staroverov V.M., On Simulation of the Outflow Boundary Conditions in FD Calculations for Incompressible Fluid, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 33 (2000), P. 499-534.

182. Olshanskii M.A., Iterative solver for Oseen problem and numerical solution of incompressible Navier-Stokes equations, Num. Linear Algebra Appl, 6 (1999), P. 353-378.

183. Olshanskii М.А., Two-Level Method and Some A Priori Estimates in Unsteady Navier-Stokes Calculations, J. Comput. Appl. Math., 104 (1999), P. 173-191.

184. Olshanskii M.A., A robust iterative solver in simulation of unsteady incompressible Navier-Stokes flow, Proc. Fourth Europ. Comput. Fluid Dynamic Conf., V.l, (Eds. R.Papailiou, etc.), Willey, Chichester, etc., 1998, P. 1296-1301.

185. Olshanskii M.A., On Preconditioning Techniques for Generalized Stokes Problem, Proc. Conf. on Precond. Iter. Solution Meth. in Large Scale Probl. in Scientific Сотр., eds. O.Axelsson, M.Neytcheva, B.Polman, Nijmegen, the Netherlands, 1997, P. 137-144

186. Ольшаиский M.A., О задаче Стокса с модельными краевыми условиями, Математический сборник, 188 (1997), С. 127-144.

187. Ольшанский М.А., О задаче типа Стокса с параметром, ЖВМиМФ, 36 (1996), С. 75-86.