A conforming and mass conservative pseudostress-based mixed finite element method for the stationary Stokes problem
- 01.09.2025
- Verfasst von
- Jessika Camaño
- Ricardo Oyarzúa
- Erschienen in
- Calcolo | Ausgabe 3/2025
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Abstract
Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung einer konformen und massenkonformen pseudostressbasierten Finite-Elemente-Methode zur Lösung des stationären Stokes-Problems. Das Stokes-Problem, ein Eckpfeiler der Strömungsdynamik, beschreibt die Bewegung inkompressibler, viskoser Flüssigkeiten und findet Anwendung in der Technik, Geophysik und in biologischen Systemen. Der Artikel befasst sich mit den Herausforderungen, das Stokes-Problem numerisch präzise zu lösen, und betont die Bedeutung robuster und effizienter numerischer Schemata. Sie führt einen neuartigen Ansatz ein, der Massenerhaltung und konforme Diskretisierung sicherstellt und die Beschränkungen traditioneller Methoden überwindet. Der Artikel bietet eine umfassende Analyse der Eignung und Konvergenz der Methode, die durch numerische Beispiele untermauert wird, die ihre Leistung und Effektivität veranschaulichen. Darüber hinaus wird die Ausweitung der Methode auf das Stokes-Problem mit gemischten Randbedingungen untersucht und ein a posteriori Fehlerschätzer für adaptive Netzverfeinerung präsentiert. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der numerischen Lösung des Stokes-Problems dar und stellt ein zuverlässiges Werkzeug zur Simulation des Fluidverhaltens in verschiedenen Anwendungen dar.
KI-Generiert
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Abstract
In this paper, we propose a mass conservative pseudostress-based finite element method for solving the Stokes problem with both Dirichlet and mixed boundary conditions. We decompose the velocity by means of a Helmholtz decomposition and derive a three-field mixed variational formulation, where the pseudostress, the velocity, both in \({\textbf {H}}(\text {div}\,)\), and an additional unknown representing the null function, are the main unknowns of the system. By employing suitable finite element spaces, the velocity is approximated using \({\textbf {H}}(\text {div}\,)\)-conforming finite elements, ensuring the desired mass conservation property. The proposed method offers several advantages, including simplicity of implementation and compatibility with existing software packages for partial differential equation solvers. In addition, other variables of interest can be approximated through a simple postprocessing of the pseudostress without applying any numerical differentiation, thus, avoiding further sources of error. We extend the study to incorporate mixed boundary conditions for the Stokes problem and complement the analysis with the introduction of a reliable and efficient residual-based a posteriori error estimator. Numerical examples are provided to validate the theoretical results, demonstrating the effectiveness and accuracy of the proposed method.
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- Titel
- A conforming and mass conservative pseudostress-based mixed finite element method for the stationary Stokes problem
- Verfasst von
-
Jessika Camaño
Ricardo Oyarzúa
- Publikationsdatum
- 01.09.2025
- Verlag
- Springer International Publishing
- Erschienen in
-
Calcolo / Ausgabe 3/2025
Print ISSN: 0008-0624
Elektronische ISSN: 1126-5434 - DOI
- https://doi.org/10.1007/s10092-025-00655-y
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