Within finite element models of fluids, vector-valued fields such as velocity or momentum variables are commonly discretised using the Raviart-Thomas elements. However, when using the lowest-order quadrilateral Raviart-Thomas elements, standard finite element discretisations of the vector transport equation typically have a low order of spatial accuracy. This paper describes two schemes that improve the accuracy of transporting such vector-valued fields on two-dimensional curved manifolds. The first scheme that is presented reconstructs the transported field in a higher-order function space, where the transport equation is then solved. The second scheme applies a mixed finite element formulation to the vector transport equation, simultaneously solving for the transported field and its vorticity. An approach to stabilising this mixed vector-vorticity formulation is presented that uses a Streamline Upwind Petrov-Galerkin (SUPG) method. These schemes are then demonstrated, along with their accuracy properties, through some numerical tests. Two new test cases are used to assess the transport of vector-valued fields on curved manifolds, solving the vector transport equation in isolation. The improvement of the schemes is also shown through two standard test cases for rotating shallow-water models.


翻译:在液体的有限元素模型中,速度或动量变量等矢量估值字段通常使用Raviart-Thomas元素进行离散。然而,当使用最低阶四边形拉维阿尔-Thomas元素时,矢量运输方程式的标准限量元素离异通常在空间精确度上较低。本文描述了两个提高在二维曲线形数中运输这种矢量估值字段的准确性的方案。第一个方案在较高阶位功能空间重建运输场,然后解决运输方程式。第二个方案在矢量运输方程式中采用混合有限元素配方,同时解决运输场及其光度问题。提出了稳定这种混合矢量变化方程的配方的方法,即采用简化上风Petrov-Galerkin(SUPG)方法,然后通过一些数字测试来显示这些计划及其精确性。两个新的测试案例被用来评估矢量估值场在曲线形数列中运输的矢量值字段的迁移情况,在孤立状态下解决矢量传输方形变异方方方方方方方方方方等。两个标准测试案例也展示了该计划的改进情况。

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