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求解反应交叉扩散方程组的局部间断Galerkin方法与隐式积分因子方法耦合。 (英语) Zbl 1417.65165号

摘要:我们提出了一种新的数值方法来求解具有交叉扩散的非线性反应扩散系统,该系统通常被视为生物、物理和化学科学中许多应用的数学模型。采用局部间断Galerkin(LDG)方法在与分段线性有限元空间相关联的非结构化三角网格上离散二维系统,它不仅可以导出通量的数值解,而且可以同时导出通量的近似值,而迄今为止的大多数研究工作只导出了数值解。考虑到具有严格时间步长限制(Delta t=O(h{mathrm{min}}^2))的显式格式的稳定性要求,采用隐式积分因子(IIF)方法进行时间离散,使得时间步长可以放宽为。此外,该方法允许我们逐个元素进行计算,避免了像标准隐式格式那样求解非线性代数方程组的全局问题,从而大大降低了计算成本。对具有精确解的系统和一类自催化化学反应的理论模型Brusselator模型进行了数值模拟,以验证所提方案的预期精度、效率和优点。

MSC公司:

65M60毫米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
35K51型 二阶抛物型方程组的初边值问题
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 图灵,A.M.,《形态发生的化学基础》,伦敦皇家学会哲学学报B,237,37-72(1952)·Zbl 1403.92034号
[2] B.I.亨利。;Wearne,S.L.,两种群分数反应扩散系统中图灵不稳定性的存在性,SIAM应用数学杂志,62,3,870-887(2002)·Zbl 1103.35047号 ·数字标识代码:10.1137/s0036139900375227
[3] Satnoianu,R.A。;Menzinger,M。;Maini,P.K.,《一般系统中的图灵不稳定性》,《数学生物学杂志》,41,6,493-512(2000)·Zbl 1002.92002号 ·doi:10.1007/s002850000056
[4] 莱文,S.A。;Segel,L.A.,《浮游斑块起源假说》,《自然》,259,5545,659(1976)·数字对象标识代码:10.1038/259659a0
[5] 卡斯特,V。;杜洛斯,E。;Boissonade,J。;De Kepper,P.,持续存在的图灵型非平衡化学模式的实验证据,《物理评论快报》,64,24,2953-2956(1990)·doi:10.1103/PhysRevLett.64.2953
[6] De Kepper,P。;爱泼斯坦,I.R。;库斯廷,K。;Orban,M.,《化学振荡器的系统设计》。第8部分。绿泥石振荡系统中的间歇振荡和空间波模式,物理化学杂志A,86,2,170-171(1982)·doi:10.1021/j100391a007
[7] 欧阳(Q.Ouyang)。;Swinney,H.L.,《从均匀状态到六边形和条纹图灵图案的转变》,《自然》杂志,352、6336、610-612(1991)·数字对象标识代码:10.1038/352610a0
[8] Maini,P.K。;Painter,K.J。;Chau,H.N.P.,化学和生物系统中的空间模式形成,化学学会杂志-法拉第汇刊,93,20,3601-3610(1997)·doi:10.1039/a702602a
[9] Mimura,M。;Kawasaki,K.,竞争相互作用扩散方程中的空间分离,数学生物学杂志,9,1,49-64(1980)·Zbl 0425.92010号 ·doi:10.1007/bf00276035
[10] 吉拉德,E。;冯·哈登伯格,J。;普罗旺泽尔,A。;沙恰克,M。;Meron,E.,《植物作为生态系统工程师的数学模型》,《理论生物学杂志》,244,4,680-691(2007)·Zbl 1450.92079号 ·doi:10.1016/j.jtbi.2006.08.006
[11] Tian,C.,通过交叉扩散为Holling II和Leslie-Gower型三物种食物链模型创建的图灵模式,数学化学杂志,49,6,1128-1150(2011)·Zbl 1216.92069号 ·doi:10.1007/s10910-011-9801-z
[12] 张继发。;李,W.-T。;Wang,Y.-X.,具有扩散效应的强耦合捕食者-食饵系统的图灵模式,非线性分析:理论、方法与应用,74,3,847-858(2011)·Zbl 1204.35167号 ·doi:10.1016/j.na.2010.09.035
[13] Yizhaq,H。;波特诺夫,B.A。;Meron,E.,《居住区隔离模式的数学模型》,环境与规划A,36,1,149-172(2004)·doi:10.1068/a35274
[14] Ben Abdallah,N。;德贡,P。;Genieys,S.,从Boltzmann方程导出的半导体能量传输模型,统计物理杂志,84,1-2,205-231(1996)·Zbl 1081.82610号 ·doi:10.1007/BF02179583
[15] Chen,L。;Jüngel,A.,具有电子-空穴散射的抛物型交叉扩散半导体模型的分析,偏微分方程中的通信,32,1127-148(2007)·Zbl 1143.35069号 ·doi:10.1080/03605300601088815
[16] 德贡,P。;Génieys,S。;Jüngel,A.,非平衡热力学中的抛物方程组,包括热效应和电效应,《数学与应用杂志》,76,10,991-1015(1997)·Zbl 0907.35059号 ·doi:10.1016/s0021-7824(97)89980-1
[17] 加利亚诺,G。;Jüngel,A。;Velasco,J.,颗粒材料的抛物线交叉扩散系统,SIAM数学分析杂志,35,3,561-578(2003)·Zbl 1047.35058号 ·doi:10.1137/s0036141002409386
[18] 甘比诺,G。;Lombardo,M.C。;Sammartino,M.,《具有交叉扩散的非线性反应扩散系统的图灵不稳定性和运动前沿》,《模拟中的数学和计算机》,82,6,1112-1132(2012)·Zbl 1320.35170号 ·doi:10.1016/j.matcom.2011.11.004
[19] El Hamidi,A。;M.加贝。;Ali,N.,《竞争系统中的非线性耦合扩散》,《非线性分析:现实应用》,第13、3、1306-1318页(2012年)·Zbl 1239.35066号 ·doi:10.1016/j.nonrwa.2011.10.007
[20] 田,C。;Ling,Z。;Lin,Z.,捕食-食饵相互作用系统中的图灵模式形成,非线性分析:现实世界应用,12,6,3224-3237(2011)·兹比尔1231.35275 ·doi:10.1016/j.nonrwa.2011.05.022
[21] 瓦纳,V.K。;爱泼斯坦,I.R.,反应扩散系统中的交叉扩散和模式形成,物理化学化学物理,11,6,897-912(2009)·doi:10.1039/b813825g
[22] 比尔格尔,R。;Ruiz-Baier,R。;Torres,H.,沉积固结过程的稳定有限体积单元公式,SIAM科学计算杂志,34,3,B265-B289(2012)·Zbl 1246.65177号 ·数字对象标识代码:10.1137/10836559
[23] Lin,Z。;Ruiz-Baier,R。;Tian,C.,具有交叉扩散的非均匀布鲁塞尔模型的有限体积元近似,计算物理杂志,256806-823(2014)·Zbl 1349.80036号 ·doi:10.1016/j.jcp.2013.09.009
[24] Ruiz-Baier,R。;Tian,C.,交叉扩散下图案形成的数学分析和数值模拟,非线性分析:真实世界应用,14,1601-612(2013)·兹比尔1263.92007 ·doi:10.1016/j.nonrwa.2012.07.020
[25] 安德烈亚诺夫,B。;Bendahmane,M。;Ruiz-Baier,R.,人口动力学中交叉扩散模型的有限体积法分析,应用科学中的数学模型和方法,21,2,307-344(2011)·Zbl 1228.65178号 ·doi:10.1142/S0218202511005064
[26] Dehghan先生。;Abbaszadeh,M.,求解有无交叉扩散二维布鲁塞尔反应扩散系统的变分多尺度无单元伽辽金(VMEFG)和局部间断伽辽金(LDG)方法,应用力学与工程中的计算机方法,300770-797(2016)·Zbl 1425.65108号 ·doi:10.1016/j.cma.2015.11.033
[27] Cockburn,B。;Shu,C.-W.,含时对流扩散系统的局部间断Galerkin方法,SIAM数值分析杂志,35,6,2440-2463(1998)·Zbl 0927.65118号 ·doi:10.1137/s0036142997316712
[28] 卡萨姆,A.-K。;Trefethen,L.N.,刚性偏微分方程的四阶时间步进,SIAM科学计算杂志,26,4,1214-1233(2005)·Zbl 1077.65105号 ·doi:10.1137/s1064827502410633
[29] 梁,X。;Khaliq,A.Q.M。;Xing,Y.,耦合非线性薛定谔方程的局部间断Galerkin近似四阶指数时间差分方法,计算物理中的通信,17,2,510-541(2015)·Zbl 1388.65086号 ·doi:10.4208/cicp.060414.190914a
[30] 陈胜强。;Zhang,Y.-T.,高维非结构网格上空间离散的Krylov隐式积分因子方法:不连续Galerkin方法的应用,计算物理杂志,230,11,4336-4352(2011)·Zbl 1416.65341号 ·doi:10.1016/j.jcp.2011.01.010
[31] 张瑞平。;于小杰。;朱,J。;Loula,A.F.D.,模式形成中非线性反应扩散系统的直接间断Galerkin方法,应用数学建模,38,5-6,1612-1621(2014)·Zbl 1427.65272号 ·doi:10.1016/j.apm.2013.09.008
[32] 聂,Q。;张义堂。;赵,R.,刚性系统的有效半隐式格式,计算物理杂志,214,2521-537(2006)·Zbl 1089.65094号 ·doi:10.1016/j.jcp.2005.09.030
[33] Golovin,A.A。;马可夫斯基,B.J。;Volpert,V.A.,具有超扩散的布鲁塞尔模型中的图灵模式形成,SIAM应用数学杂志,69,1,251-272(2008)·Zbl 1170.35053号 ·电话:10.1137/070703454
[34] 普里戈金,I。;Lefever,R.,耗散系统中的对称破缺不稳定性。二、 化学物理杂志,48,4,1695-1700(1968)·数字对象标识代码:10.1063/1168896
[35] 卡斯蒂略,P。;Cockburn,B。;佩鲁贾,I。;Schötzau,D.,椭圆问题局部间断Galerkin方法的先验误差分析,SIAM数值分析杂志,38,5,1676-1706(2000)·Zbl 0987.65111号 ·doi:10.1137/s0036142900371003
[36] Li,B.Q.,流体动力学和传热中的间断有限元。流体动力学和传热中的间断有限元,计算流体和固体力学(2006),德国柏林:施普林格,德国柏林·Zbl 1110.76001号
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