科学仿真

网格收敛性研究:Richardson 外推与离散误差估计

导读:Richardson 外推用两套粗细不同的网格「外推」出真解的估计——它既是精度倍增器,也是离散误差的测量仪。

外推公式

设解随网格按 $p$ 阶收敛:$f_h = f_{exact} + C h^p$。两组网格的解给出 $f_{exact} \approx f_{h2} + \frac{f_{h2}-f_{h1}}{r^p - 1}$($r$ 为加密比)。先要实测收敛阶 $p = \ln[(f_{h1}-f_{h2})/(f_{h2}-f_{h3})]/\ln r$——用理论阶数直接代入是常见错误。

网格设计纪律

三套网格加密比取 2(或 1.5);几何变换保持拓扑一致;边界层处用比例网格但整体加密策略统一。网格不相似时外推失效。

GCI(网格收敛指数)$= F_s |\epsilon| /(r^p - 1)$,安全因子 $F_s=1.25$(三套网格)或 3(两套)。

何时失效

解不光滑(激波、奇点)时收敛阶局部退化,外推仅在光滑区有效;边界条件奇性会污染全域精度——这正是一维热传导文章里差分格式稳定性分析的对偶问题。

常见误区

  • 假设收敛阶等于格式理论阶而不实测。
  • 两套网格就外推,还用安全因子 1.25。

吃透自检

  • 能用三套网格实测收敛阶并完成外推
  • 能解释 GCI 的安全因子来源
  • 能识别外推失效的典型场景

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