Fourth-order multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model and equivalent finite-difference scheme for one-dimensional convection-diffusion equations

格子Boltzmann方法 数学 截断误差 数学分析 玻尔兹曼方程 缩放比例 有限差分 对流扩散方程 冯·诺依曼稳定性分析 统计物理学 数值稳定性 数值分析 物理 几何学 机械 量子力学
作者
Ying Chen,Zhenhua Chai,Baochang Shi
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (5) 被引量:12
标识
DOI:10.1103/physreve.107.055305
摘要

In this paper, we first develop a fourth-order multiple-relaxation-time lattice Boltzmann (MRT-LB) model for the one-dimensional convection-diffusion equation (CDE) with the constant velocity and diffusion coefficient, where the D1Q3 (three discrete velocities in one-dimensional space) lattice structure is used. We also perform the Chapman-Enskog analysis to recover the CDE from the MRT-LB model. Then an explicit four-level finite-difference (FLFD) scheme is derived from the developed MRT-LB model for the CDE. Through the Taylor expansion, the truncation error of the FLFD scheme is obtained, and at the diffusive scaling, the FLFD scheme can achieve the fourth-order accuracy in space. After that, we present a stability analysis and derive the same stability condition for the MRT-LB model and FLFD scheme. Finally, we perform some numerical experiments to test the MRT-LB model and FLFD scheme, and the numerical results show that they have a fourth-order convergence rate in space, which is consistent with our theoretical analysis.
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