非线性抛物型偏微分方程奇异问题的高精度紧致有限体积法的开发及其数值分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11501032
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Many mathematical models describing natural and social phenomena with singularities are built in the form of nonlinear partial differential equations. How to get higher order numerical solutions of these partial differential equations is an urgent research subject in the field of numerical mathematics. In this project, we will study and develop higher order numerical methods for initial and boundary value problems of nonlinear parabolic partial differential equations with singular solutions. Since almost all the developed numerical methods are for the smooth problems, we will propose and develop compact finite volume methods with higher order accuracy. They are based on frameworks of finite element methods, finite volume methods and finite difference methods and thus are mixed higher order numerical methods which can be applied to the problems with singularities. The new compact finite volume methods developed for singular problems of nonlinear parabolic partial differential equations have the following significant advantages: (1) Higher order numerical approximate solutions are obtained without increasing computational costs and computational complexity; (2) The new numerical method is validate not only for singular points of the spatial domain, but also mainly for singularities arising on the whole boundaries or interfaces; (3) The refinement of meshes is adaptive, that is, the refinement is carried out automatically by the gradient of the exact solution; (4) The numerical approximate solution has super-convergence and the convergent order for singular problems is almost the same as for smooth problems; (5) The convergent order with respect to temporal discretization is of fourth order or higher order by integrating compact finite difference scheme with implicit methods; (6) Numerical analysis theory corresponding to the new compact finite volume methods is constructed so that error estimate analysis, super-convergence analysis and stability analysis can be carried out. The new compact finite volume methods will be widely applied to various practical fields such as chemical reaction, porous fluid dynamics, crystal and pattern formation, combustion and explosion and so on.
大量具有奇异性质的现象能够用偏微分方程数学模型描述。怎样获得这类方程的高精度数值解是计算数学领域中急需研究的课题。本项目将创新研究具有奇异性质的非线性抛物型偏微分方程的初边值问题的高精度数值方法。由于传统数值方法只适用于具有光滑性质的问题,本项目将提出并研究紧致有限体积法,它是基于解的梯度大小判别奇异性所出现的空间区域,利用细密剖分技术,将此部分加密生成网格,在其基础上构造有限体积法的基底函数,并综合有限元法处理边界条件的优势,有限体积法保持物理量的守恒性优势,来开发高精度紧致有限体积法。这种新的数值方法将不增加整体的计算量,又能近似达到和光滑问题的数值解同等程度的收敛阶数。另外,新的数值方法将具有自适应网格生成的特性。本项目也将建立对应的误差分析、稳定性分析等数值分析理论,以获得超收敛分析和稳定性分析结果。新的数值方法将在化学反应、多孔介质流体力学、燃烧爆炸等实际领域中获得广泛应用。

结项摘要

在自然科学领域以及社会科学领域中,非常多的线性现象和非线性现象都需要用常微分方程和偏微分方程建立数理模型进行表征。通过微分方程的解,不仅能够更加深刻地了解这些现象的存在原理,还能够预测这些现象的发生和发展。因此,求解微分方程,既具有数学理论上的重要意义,更具有科学技术实际上的应用价值。在许多以微分方程描述的数理模型问题中,含有各种各样的奇异性质。由于解决奇异性问题的难度远远超过研究光滑性问题的难度。特别当解的奇异性表现为解的导数发散于无穷大时,传统的有限差分法和有限元法以及相对应的数值分析理论就不再适用,需要建立新的数值方法和新的数值分析理论。本课题针对非线性抛物型偏微分方程奇异问题进行研究,针对解的奇异性所出现的空间区域,构造的部分区域分解法;分析在不具有奇异性的空间区域和具有奇异性的空间区域分别使用不同的网格细密剖分技术;利用有限元法处理边界条件的优势开发的高精度Compact Finite Volume Method;针对所开发的数值方法进行数值试验分析。针对全离散线性系统的特有性质,讨论建立奇异矩阵的迭代分析理论。本课题开发高精度紧致有限体积法。这种新的数值方法将不增加整体的计算量,又能近似达到和光滑问题的数值解同等程度 的收敛阶数。另外,新的数值方法将具有自适应网格生成的特性。本项目也将建立对应的误差分析、稳定性分析等数值分析理论,以获得超收敛分析和稳定性分析结果。新的数值方法将在化学反应、多孔介质流体力学、燃烧爆炸等实际领域中获得广泛应用。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(2)
平面广义Stewart平台位置正解求解策略及仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    北京化工大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张佳文;张桂芳;赵丽娜
  • 通讯作者:
    赵丽娜
Geometric Realizations of Lusztig’s Symmetries of Symmetrizable Quantum Groups
可对称量子群 Lusztig 对称性的几何实现
  • DOI:
    10.1007/s10468-017-9669-0
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Algebras and Representation Theory
  • 影响因子:
    0.6
  • 作者:
    赵明慧
  • 通讯作者:
    赵明慧
L-Valued Fuzzy Rough Sets
L 值模糊粗糙集
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Iranian Joural of Fuzzy Systems
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Fei Li;Y.Yue
  • 通讯作者:
    Y.Yue
对具有奇异性椭圆方程在细化网格下的Shortley-Weller方法的收敛分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Numerical Functional Analysis and Optimization
  • 影响因子:
    1.2
  • 作者:
    张晓宇
  • 通讯作者:
    张晓宇

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其他文献

PEI (polyethyleneimine) based high-efficiency perovskite quantum dot light-emitting thin film and preparation method thereof
PEI基高效钙钛矿量子点发光薄膜及其制备方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016-03-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张宇;陈真;王鹤林;张晓宇;吴华;于伟泳;张铁强
  • 通讯作者:
    张铁强
一种基于路径的划分聚类算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    信息与控制
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王赛芳;戴芳;梁波;张晓宇
  • 通讯作者:
    张晓宇
面向地下钱庄洗钱行为的可视化交互分析平台
  • DOI:
    10.1016/j.coastaleng.2015.12.004
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    计算机应用研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张晓宇;邓昌智;王宏安
  • 通讯作者:
    王宏安
世界水资源转移消耗及空间解构研究——基于国际水资源投入产出模型
  • DOI:
    10.11646/zootaxa.5255.1.28
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国人口·资源与环境
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张晓宇;何燕;吴明;徐悦
  • 通讯作者:
    徐悦
基于广义形态特征试论藏扇穗茅的归并
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    植物研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕婷;张晓宇;陈志;苏旭
  • 通讯作者:
    苏旭

其他文献

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张晓宇的其他基金

Keller-Segel模型的爆炸解问题的新数值方法
  • 批准号:
    11326223
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    3.0 万元
  • 项目类别:
    数学天元基金项目

相似国自然基金

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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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