A new approach, iteration projection method, is proposed to solve the saddle point problem obtained after the full discretization of the unsteady Navier-Stokes equations. The proposed method iterates projections in each time step with a proper convection form. We prove that the projection iterations converge with a certain parameter regime. Optimal iteration convergence can be achieved with the modulation of parameter values. This new method has several significant improvements over the Uzawa method and the projection method both theoretically and practically. First, when the iterative projections are fully convergent in each time step, the numerical velocity is weakly divergence free (pointwise divergence free in divergence free finite element methods), and the stability and error estimate are rigorously proven. With proper parameters, this method converges much faster than the Uzawa method. Second, numerical simulations show that with rather relaxed stopping criteria which require only a few iterations each time step, the numerical solution preserves stability and accuracy for high Reynolds numbers, where the convectional projection method would fail. Furthermore, this method retains the efficiency of the traditional projection method by decoupling the velocity and pressure fields, which splits the saddle point system into small elliptic problems. Three dimensional simulations with Taylor-Hood P2/P1 finite elements are presented to demonstrate the performance and efficiency of this method. More importantly, this method is a generic approach and thus there are many potential improvements and extensions of the iterative projection method, including utilization of various convection forms, association with stabilization techniques for high Reynolds numbers, applications to other saddle point problems.


翻译:提出一种新的方法——迭代投影法,用于求解非定常Navier-Stokes方程的完全离散化后得到的鞍点问题。该方法在每个时间步长中迭代投影,并采用适当的对流形式。我们证明了在一定参数范围内,投影迭代会收敛。通过调整参数值可以实现最优的迭代收敛。该新方法在理论和实践方面都有几个显著的改进。首先,在每个时间步长的迭代投影都完全收敛时,数值速度是弱发散(在无发散有限元方法中是点位发散)的,稳定性和误差估计得到了严格证明。在恰当的参数下,该方法的收敛速度比Uzawa方法快得多。其次,数值模拟表明,即使使用宽松的停止准则(每个时间步长只需几次迭代),该数值解也能在高雷诺数时保持稳定性和精度,而传统的投影法会失败。此外,该方法通过将速度和压力场解耦,将鞍点系统分解为若干小的椭圆问题,保留了传统投影法的高效性。为了证明该方法的性能和效率,使用Taylor-Hood P2/P1有限元法进行了三维模拟。更重要的是,该方法是一种通用方法,因此存在许多潜在的改进和扩展,包括利用各种对流形式、与高雷诺数稳定化技术的关联以及应用于其他鞍点问题等。

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