基于双层位势的虚边界元计算方法

论文摘要

用边界元法来求解位势问题有效而简单,但通常需要求解奇异积分,特别是当公式中有双层位势的法向导数时,会遇到超强奇异积分。若采用虚边界元法[23]就可以避开这些弱点,通过在所研究的区域之外的延拓区域中选择一个虚拟的边界,根据原问题的边界条件确定出在虚边界上分布的虚拟密度,以此来求解原区域上的解。在数值计算时,是对虚边界进行离散,由于场点和源点在不同的边界上,从而避免了传统边界元中关于奇异与超强奇异积分的处理。通常所谓的虚边界元方法都是基于单层位势的延拓,利用在虚拟边界上的密度函数作为间接未知量,令此虚密度函数对真实边界所产生的位势及通量与边界条件一致,从而达到求解虚拟密度函数的目的[58]。本文则利用在虚边界上分布的矩密度,得出基于双层位势的一种虚边界积分方程。作为一种间接边界积分公式,由于积分点和场点分别位于虚边界和实边界上,可以避免强奇异积分和超强奇异积分的计算,并将其应用到各种椭圆边值问题的求解上。首先,本文针对Laplace方程的三类内边值问题建立出相应的基于双层位势的虚边界积分方程,并采用常单元来求解。其次,对广义线性Poisson类方程,本文考虑用将虚边界元和径向基函数耦合的方式来求解,对齐次方程的解采用虚边界元求解,对特解则用径向基函数逼近,从而避免区域积分项处理的繁琐。再者,进一步考虑,对双调和方程,通过引入中间变量,将其分解为两个Poisson方程,再用径向基函数同虚边界元耦合的方法求解,并应用于非线性双调和方程的求解。最后,利用自己编写的程序,通过数值算例验证了该方法的可行性和正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究现状评说
• 1.1.1 边界元法的历史回顾和发展现状
• 1.1.2 虚边界元法的发展现状
• 1.1.3 无网格法以及径向基函数的发展现状
• 1.2 本文主要研究方法
• 2 基于双层位势的虚边界元积分方程
• 2.1 LAPLACE 方程的虚边界元解法
• 2.1.1 边界积分方程的建立
• 2.1.2 虚边界积分方程的建立
• 2.1.3 虚边界积分方程的数值解法
• 2.2 用基于双层位势的虚边界元和径向基函数耦合的方法求解 POISSON 方程
• 2.3 线性或非线性双调和方程
• 2.3.1 非齐次双调和方程的求解
• 2.3.2 利用RBF 表示特解
• 2.3.3 系数矩阵的形成
• 3 程序实现
• 3.1 程序框架设计
• 3.2 数据生成源程序
• 4 数值算例
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录