大密度比相场模型的高效有限元方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11871410
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0501.算法基础理论与构造方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The phase field model with large density ratio describes well the evolution of two-phase flow with large differences in density, which has an extremely important application in industry and economy. Therefore, it is very important to simulate the model effectively. Compared to the two-phase flow with the same or similar densities, the phase field model with large density ratio can be applied more widely, but it also brings greater challenges to the design and analysis of the algorithm.This project is expected to make some innovative work in numerical simulation and theoretical analysis of phase-field models with large density ratio. The phase field model is a combination of variable-density Navier-Stokes equations and Cahn-Hilliard equations. First, the error estimates for the finite element discretization will be respectively analyzed for some efficient numerical schemes of these two equations. For Cahn-Hilliard equations, a linear finite element method based on the gradient recovery will be constructed. It will be proved that the algorithm has the same optimal or superconvergence accuracy as it solves the biharmonic equation numerically. Then based on the above results, we will construct a linear, decoupled and unconditionally stable finite element method for the phase field model and analyze the corresponding error estimates. Finally, a fully multigrid algorithm for nonlinear parabolic equations will be constructed, which can be proved to achieve the accuracy on the finest grid but reduce the computation cost significantly. The fully multigrid algorithm will also be applied to the phase field model.
大密度比相场模型很好地描述了密度差别较大的两相流混合的演变过程,在工业和经济中有着极其重要的应用,因此有效地数值模拟该模型起着至关重要的作用。相比密度相同或相近的两相流,大密度比相场模型适应范围更广,但是给算法的设计和分析也带来更大的挑战。本项目预期在大密度比相场模型的数值模拟和理论分析方面做出一些创新性工作。该相场模型是由变密度Navier-Stokes方程和Cahn-Hilliard方程耦合而成。本项目首先分别对这两方程的某些高效数值格式分析有限元离散的误差估计,针对Cahn-Hilliard方程还构造基于梯度重构的线性有限元算法,证明与其计算双调和方程一样具有最优阶或超收敛精度。然后在此基础上构造大密度比相场模型解耦、无条件稳定的线性格式并分析误差。最后,构造非线性抛物方程的完全多重网格算法,证明其保证最细网格精度的同时大大节省计算量,并应用到上述相场模型。

结项摘要

大密度比相场模型很好地描述了密度差别较大的两相流混合的演变过程,在工业和经济中有着极其重要的应用,因此有效地数值模拟该模型起着至关重要的作用。相比密度相同或相近的两相流,大密度比相场模型适应范围更广,但是给算法的设计和分析也带来更大的挑战。本项目在大密度比相场模型的数值模拟和理论分析方面做出了一些创新性工作,包括针对变密度Navier-Stokes方程构造了高效解耦的Gauge-Uzawa算法以及基于标量辅助变量的自适应算法,针对Cahn-Hilliard方程构造了基于标量辅助变量的有限元算法,针对蒙日安培方程构造了基于梯度重构的线性有限元算法,以及针对推广的 Kawahara 方程、Boussinesq Paradigm 方程和耦合 Schrodinger-Boussinesq 方程也都构造了基于标量辅助变量的高效算法。针对上述算法,本项目不仅从理论上证明了上述解耦格式的高效性、无条件稳定性,物理量保正或守恒,还推导了相应的误差估计。最后,数值实验也验证了理论结果,证实了上述算法不仅具有最优阶的计算精度,也大大节省了计算时间。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Error estimate of Gauge-Uzawa methods for incompressible flows with variable density
变密度不可压缩流Gauge-Uzawa方法的误差估计
  • DOI:
    10.1016/j.cam.2019.06.037
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    Journal of Computational and Applied Mathematics
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Chen Hongtao;Mao Jingjing;Shen Jie
  • 通讯作者:
    Shen Jie
Efficient and conservative compact difference scheme for the coupled Schrodinger-Boussinesq equations
耦合薛定谔-布辛涅斯克方程的高效且保守的紧致差分格式
  • DOI:
    10.1016/j.apnum.2022.08.013
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    APPLIED NUMERICAL MATHEMATICS
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Yuyu He;Hongtao Chen
  • 通讯作者:
    Hongtao Chen
Adaptive time-stepping algorithms for molecular beam epitaxy: Based on energy or roughness
分子束外延的自适应时间步进算法:基于能量或粗糙度
  • DOI:
    10.1016/j.aml.2019.07.022
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Applied Mathematics Letters
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Luo Fusheng;Xie Hehu;Xie Manting;Xu Fei
  • 通讯作者:
    Xu Fei
Conservative compact difference scheme based on the scalar auxiliary variable method for the generalized Kawahara equation
广义Kawahara方程基于标量辅助变量法的保守紧差分格式
  • DOI:
    10.1002/mma.8778
  • 发表时间:
    2021-11
  • 期刊:
    MATHEMATICAL METHODS IN THE APPLIED SCIENCES
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Hongtao Chen;Yuyu He
  • 通讯作者:
    Yuyu He
Adaptive time-stepping algorithms for the scalar auxiliary variable scheme of Navier-Stokes equations
纳维-斯托克斯方程标量辅助变量格式的自适应时间步进算法
  • DOI:
    10.1177/17483026221093956
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Journal of Algorithms & Computational Technology
  • 影响因子:
    0.9
  • 作者:
    Hongtao Chen;Weilong Wang
  • 通讯作者:
    Weilong Wang

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其他文献

一维双调和问题的一类恢复型线性有限元方法
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 通讯作者:
    陈竑焘
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    谢和虎
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 通讯作者:
    陈竑焘

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变密度电流体动力学模型的高效有限元方法
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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