Анализ устойчивости неявных конечно-разностных решеточных схем Больцмана с направленными разностями

Abstract

Статья посвящена анализу устойчивости неявных конечно-разностных схем для системы кинетических уравнений, применяемых для проведения гидродинамических расчетов в рамках метода решеточных уравнений Больцмана. Представлены семейства двухслойных и трехслойных схем с направленными разностями первого-четвертого порядков аппроксимации по пространственным переменным. Важной особенностью схем является то, что конвективные слагаемые аппроксимируются одной конечной разностью. Показано, что в выражении для аппроксимационной вязкости схем высоких порядков отсутствуют фиктивные слагаемые, что позволяет применять их во всем диапазоне значений времени релаксации. Анализ устойчивости проводится по линейному приближению с использованием метода Неймана. Получены приближенные условия устойчивости в виде неравенств на значения параметра Куранта. При расчетах показано, что площади областей устойчивости в пространстве параметров у двухслойных схем больше, чем у трехслойных. Исследованные схемы могут применяться при расчетах как непосредственно, так и в методах типа предиктор-корректор. The paper is devoted to the stability analysis of the implicit finite-difference schemes for the system of kinetic equations used for the hydrodynamic computations in the framework of the lattice Boltzmann method. The families of two- and three-layer upwind schemes of the first to fourth approximation orders on spatial variables are considered. An important feature of the presented schemes is that the convective terms are approximated by one finite difference. It is shown that, for the high-order schemes, in the expression for the current viscosity there are no fictitious terms, which makes it possible to perform computations in the whole range of relaxation time values. The stability analysis is based on the application of the von Neumann method to the linear approximations of the schemes. The stability conditions are obtained in the form of inequalities imposed on the Courant number values. It is also shown that the areas of stability domains for the two-layer schemes are greater than for the three-layer schemes in the parameter space. The considered schemes can be used as the fully implicit schemes in computational algorithms directly or in the predictor-corrector methods.