An implicit finite-difference scheme for the unsteady motion of a viscous barotropic gas

Authors

  • A.V. Popov
  • K.A. Zhukov

Keywords:

finite-difference scheme
error of numerical solution
viscous gas

Abstract

A new implicit finite-difference scheme for the unsteady motion of a viscous barotropic gas is proposed in terms of Eulerian coordinates for the cases of one, two, and three spatial variables. An existence and uniqueness theorem for a difference solution of this scheme is proved without any assumptions on grid steps. An important property of the scheme is the fact that the grid density function is always positive. At each time step, a grid solution is found by solving a linear system. A theoretical error estimate for this method is formulated in the case of an exact smooth solution. An efficiency of the proposed scheme is confirmed by solving a problem with discontinuous initial data in the one-dimensional case and by solving a cavity problem in the two-dimensional case.


Published

2013-11-18

Issue

Section

Section 1. Numerical methods and applications

Author Biographies

A.V. Popov

K.A. Zhukov


References

  1. Башкин В.А., Егоров И.В. Численное моделирование динамики вязкого совершенного газа. М.: Физматлит, 2012.
  2. Белоцерковский О.М., Андрущенко В.А., Шевелев Ю.Д. Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. М.: Янус, 2000.
  3. Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. М.: Научный мир, 2007.
  4. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М.: Физматлит, 2012.
  5. Четверушкин Б.Н. Кинетически согласованные схемы в газовой динамике. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999.
  6. Антонцев С.Н., Кажихов А.В., Монахов В.Н. Краевые задачи механики жидкостей и газов. Новосибирск: Наука, 1983.
  7. Амосов А.А., Злотник А.А. Разностные схемы второго порядка точности для уравнений одномерного движения вязкого газа // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1987. 27, № 7. 1032-1049.
  8. Kobelkov G.M., Sokolov A.G. On finite difference schemes for viscous barotropic compressible gas problems // Sov. J. Numer. Mat. Modelling. 1994. 9. 223-229.
  9. Liu B. On a finite element method for three-dimensional unsteady compressible viscous flows // Numer. Methods Partial Differential Equations. 2004. 20. 432-449.
  10. Popov A.V. A study of cost-effective finite difference scheme for the system of equations for two-dimensional flow of a viscous barotropic gas // Sov. J. Numer. Mat. Modelling. 1990. 5. 395-417.
  11. Попов А.В. Исследование экономичного конечно-разностного метода для двухмерных уравнений вязкого теплопроводного газа // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1991. 30, № 7. 1066-1080.
  12. Жуков К.А., Попов А.В. Исследование экономичной разностной схемы для нестационарного движения вязкого слабосжимаемого газа // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 2005. 45, № 4. 677-693.
  13. Жуков К.А., Попов А.В. Разностные и проекционно-разностные схемы для нестационарного движения вязкого слабосжимаемого газа // Вычислительные методы и программирование. 2012. 13, № 1. 63-69.
  14. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Бином, 2000.
  15. Абрашин В.Н., Матус П.П. О точности разностных схем для одномерных задач газовой динамики // Дифференциальные уравнения. 1981. 17, № 7. 1155-1170.
  16. Лапин А.В. О корректности и сходимости в сильной норме разностных схем для квазилинейных параболических уравнений. I, II // Известия вузов. Математика. 1974. № 7. 42-52; № 8. 47-53.
  17. Лапин А.В., Ляшко А.Д. О сходимости разностных схем для квазилинейных параболических уравнений // Известия вузов. Математика. 1975. № 12. 30-42.
  18. Ляшко А.Д., Федоров Е.М. О корректности нелинейных двухслойных операторно-разностных схем // Дифференциальные уравнения. 1981. 17, № 7. 1304-1316.
  19. Арефьев В.С. Об устойчивости нелинейных разностных схем // Докл. АН СССР. 1985. 285, № 1. 11-14.
  20. Арделян Н.В. Разрешимость и сходимость нелинейных разностных схем // Докл. АН СССР. 1988. 302, № 6. 1289-1292.
  21. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983.
  22. Popov A.V. A study of finite-difference method for solving gas dynamic equations in Euler coordinates // Sov. J. Numer. Mat. Modelling. 1991. 6. 377-394.