曲面上梯度流模型的高效数值方法研究
批准号:
12071406
项目类别:
面上项目
资助金额:
52.0 万元
负责人:
冯新龙
依托单位:
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
冯新龙
中文摘要
梯度流模型是物理、材料、生物等领域中通过构造某种能量泛函求其极小而等价地建立起来的偏微分方程,其动力学行为是影响相场结构、性能及其稳定性的决定性因素。本课题拟深入研究曲面上梯度流模型的算法设计、理论分析及其实际应用。空间逼近采用曲面有限元方法、径向基函数方法等,时间离散采用自适应时间步长方法等。首先,研究基于能量凸分裂的计算方法,确保离散系统的求解等价于一个离散凸泛函的极小值问题,得到关于能量的绝对稳定性以及唯一可解性。其次,利用离散泛函的凸性构造最速下降法的预条件处理器,并结合多重网格方法降低求解离散系统的复杂度。最后,研究局部稳定化方法、特征线方法、通量修正输运方法、自适应方法等建立曲面上梯度流模型保物理性质的快速算法,进而精细刻画其动力学行为的时空图样生成及其形态演化过程。
英文摘要
The gradient flow models are partial differential equations equivalently established from the minimizer of some energy functionals in physical, material and biological field. Their dynamic behavior is the decisive factor affecting the phase field structure, performance and stability. This project aims to study the algorithm design, theoretical analysis and practical application of the gradient flow model on surfaces. Surface finite element method and radial basis function method are used for spatial approximation, respectively. And adaptive time step method is used for time discrete. First, we will focus on the numerical schemes based on energy functional convex splitting. The numerical solution of the discrete system is equivalent to the minimizer of some discrete convex functional, which ensures the unconditionally energy stability and unique solvability. Secondly, in order to reduce the complexity of solving discrete systems, multi-grid methods are combined with the preconditioner of the steepest descent method that is constructed by using the convexity of discrete functional. Finally, the surface gradient flow model with convection terms is studied. And the fast algorithms preserving physical properties are constructed by using the local stabilization method, the characteristic line method, the flux modified transport method and the adaptive method. Then spatial-temporal pattern formation and its morphology evolution of polymeric complex fluids can be accurately simulated.
曲面上梯度流模型广泛应用于描述中尺度的斑图形成和界面运动,应用涉及材料科学与工程中材料的制备,物理化学中晶体的生成,生物学中细胞膜的形态等,对其发展高效高精度计算方法、进行数值分析以及高保真数值模拟是目前国际上研究的热点和难点问题。.针对曲面上梯度流模型的研究,我们设计了一种稳定有效的半隐式方法来模拟相场分子束外延生长模型,结合了演化曲面有限元方法进行了时空离散化分析,提出了考虑能量演化和表面速度的自适应时间步进技术来提高计算效率。同时,基于拉格朗日方法框架,对演化曲面上对流扩散方程以及曲面上偏微分方程驱动的平均曲率流耦合模型构造了径向基函数-有限差分格式。在此基础上,设计了一种半拉格朗日径向基函数单位分解最近点方法,该方法与径向基函数有限差分最近点方法相比使用更少量的局部影响域,节约计算成本。进一步,考虑几何曲率与流体流动对曲面梯度流模型的影响,耦合了几何曲率以及N-S方程,构造了新的系统,基于标量辅助变量方法、曲面有限元方法以及隐式-显式技术构造了数值格式,证明了该格式的无条件能量稳定性,并通过数值示例验证了理论预测。.上述研究成果为曲面上梯度流模型的研究、发展及其在材料学、物理学和生物学等领域的应用提供了新的研究途径。部分研究成果已达到国际先进水平,相关研究成果以24篇论文发表在国内外著名学术期刊上,包括SINUM、CMAME、JSC、IJNAM等。项目组成员进行了广泛的学术交流,共参加学术会议60余人次;项目执行期间一共培养硕士14名,培养博士3名。整体研究工作按照申请计划书顺利进行,并根据实际情况作了适当调整,圆满完成各项任务。
应用驱动的高性能科学计算及人工智能前沿专题讲习班
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批准号:12126417
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项目类别:数学天元基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2021
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负责人:冯新龙
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依托单位:
随机相场动力学模型不确定性量化的高精度数值方法
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批准号:11671345
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.0万元
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批准年份:2016
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负责人:冯新龙
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依托单位:
高分子复杂流体相分离动力学的数值模拟
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批准号:11271313
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.0万元
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批准年份:2012
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负责人:冯新龙
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依托单位:
三维湍流风沙运动的数值模拟研究
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批准号:61163027
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:49.0万元
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批准年份:2011
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负责人:冯新龙
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依托单位:
不可压粘性流动问题的分数步长方法研究
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批准号:10901131
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:17.0万元
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批准年份:2009
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负责人:冯新龙
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依托单位:
Navier-Stokes方程隐式/显式数值格式的理论分析和算法实现
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批准号:10726006
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项目类别:数学天元基金项目
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资助金额:3.0万元
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批准年份:2007
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负责人:冯新龙
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依托单位:
国内基金
海外基金