3维定常MHD方程的有限差分有限元解耦迭代方法

Magnetohydrodynamic（MHD）is of important applications in the astrophysics, controlled nuclear reaction and MHD dynamotor. Our aim is to numerically solve the 3D stationary incompressible MHD equations on a bounded cylinder convex domain under the uniqueness condition. Due to the strong coupling nonlinear properties of the MHD equations, first, we design the extend Stokes, Oseen and Newton decoupled iterative schemes, where the different interative scheme is suitable to different pyhsical parameter. The decoupled linearized stationary MHD equations based on iterative schemes are discreted by the difference finite element method with the forst or second order accuracy, where z-variable is discreted by the difference method and (x,y)-variables are discreted by the finite element methods. Thus，we reduce the complex 3D nonlinear MHD equations coupling the velocity, pressure and magnetic field into the system of linearized, decoupled 2D equations. We will consider the numerical analysis results of the difference finite element and make some numerical computations for the stationary MHD equations encounted in engineering applications. The research is useful to the develpoment of the nonlinear sciences and applications of the MHD equations in engineering techniques, part research results will arrive at the first-level standard in the field of the computational MHD dynaimcs.

磁流体力学（MHD）在天体物理、受控热核反应和磁流体发电等领域具有极其重要的应用。我们的研究目标是在唯一性条件下数值求解3维有界柱形凸区域上的定常不可压缩MHD方程。由于此模型具有强耦合性和强非线性，我们首先设计求解MHD方程的扩展的Stokes， Oseen，Newton解耦迭代格式，其中不同的的迭代格式适合于不同的物理参数情形。对于解耦的线性化的MHD方程我们采用具有一阶及二阶精度的差分有限元方法进行离散，其中z变量用差分法进行离散，(x,y)变量用有限元方法进行离散。于是我们将复杂的3维的速度场、压力和磁场耦合的非线性MHD方程的求解归结为一系列的线性的，解耦的2维问题进行求解。我们将对其高效算法进行数值分析，并针对具体工程应用问题进行数值模拟。该项目的研究工作将有助于非线性科学研究的深入发展和磁流体力学在工程技术中的广泛应用，部分研究成果将达到国际先进水平。

磁流体力学（MHD）在天体物理、受控热核反应和磁流体发电等领域具有极其重要的应用。我们的研究目标是在唯一性条件下数值求解3维有界凸区域上的定常不可压缩MHD方程。由于此模型具有强非线性，提出了求解定常的磁流体MHD方程组的快速有限元迭代算法， 结合两水平方法及三种经典有限元迭代算法的稳定性条件， 设计适合不同雷诺数的若干两水平有限元迭代算法，利用三种经典的迭代算法在粗网格上求解非线性问题，再运用Stokes型， Newdon型和Oseen型校正格式在细网格上求解线性化问题，即在细网格上对粗网格解进行校正， 分析了每种算法的稳定性、收敛性和最优误差估计，进行若干数值实验， 验证了不同雷诺数下的两水平有限元迭代算法的有效性。进一步， 提出了非定常MHD方程的线性化半隐格式有限元算法， 证明了数值解的无条件稳定性和收敛性， 并且给出了数值例子， 验证了理论分析的有效性. 该项目的研究工作将有助于非线性科学研究的深入发展和磁流体力学在工程技术中的广泛应用，部分研究成果将达到国际先进水平。