Analysis von Zeitdiskretisierungen des inkompressiblen Navier-Stokes-Problems

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Author(s) : Etienne Emmrich

The paper is published : Cuvillier Verlag Göttingen, 2001

MSC 2000

65M06 Finite difference methods
35Q30 Stokes and Navier-Stokes equations
65M12 Stability and convergence of numerical methods
76D05 Navier-Stokes equations

Abstract :
(Aus dem Vorwort ...) Eines der wohl bekanntesten Beispiele f"ur mathematische Modelle komplexer nichtlinearer Ph"anomene ist die Beschreibung der Bewegung von Fl"ussigkeiten und Gasen durch die Navier-Stokes-Gleichungen. Wenngleich die praktische Anwendung numerischer Verfahren bei der Simulation realer Str"omungsvorg"ange weit gediehen ist, bedarf es der mathematischen Analyse, um die verwendeten Verfahren abzusichern und die Konstruktion neuer effizienter L"osungsmethoden zu erm"oglichen. Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zum theoretischen Studium von Zeitdiskretisierungen des inkompressiblen Navier-Stokes-Problems geleistet werden. Dabei stehen Fehlerabsch"atzungen f"ur die zweischrittige Formel der r"uckw"artigen Differenzen (BDF (2)) unter realistischen Annahmen an die Regularit"at der exakten L"osung und mithin an die Daten des Problems im Vordergrund. Herneben werden L"osbarkeit und Stabilit"at der diskreten Ersatzaufgabe untersucht und die Konvergenz von st"uckweise polynomialen N"aherungsl"osungen gegen eine schwache L"osung bewiesen. Ferner wird eine weitgehend vollst"andige Analyse des impliziten Euler-Verfahrens gegeben. Nach einer kurzen Einleitung wenden wir uns der schwachen L"osungstheorie zu und stellen die f"ur das Weitere ben"otigten Aussagen bereit. Danach untersuchen wir die wesentlichen Eigenschaften der BDF (2) und geben einen "Uberblick "uber die aus der Literatur bekannten Ergebnisse. Funktionalanalytische Hilfsmittel sowie Lemmata vom Gronwall-Typ werden in zwei Anh"angen zusammengestellt. ...

Keywords : Incompressible Navier-Stokes problem, time discretization, Euler method, BDF, regularity, compatibility conditions, parabolic smoothing, stability, convergence, a priori error estimates