第四章 偏微分方程的有限差分法ppt课件.pptVIP

HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 1 75 第四章偏微分方程的有限差分法 4 1有限差分法原理4 2热传导方程的差分解法4 3波动方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 2 75 4 1有限差分法原理 物理学中许多物理规律都用偏微分方程描述 偏微分方程主要分为以下三类 上式中a c f以及未知函数u为定义在求解区域上的实 复 函数 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 3 75 4 1有限差分法原理 有限差分解法 差分近似代替微分 差商近似代替微商 这样就把求解区域内连续分布函数离散化成求网络节点上的分立函数值 从而把所需求解的微分方程变为一组相应的差分方程 进一步可以求解离散节点上的函数值 数学基础泰勒 Taylor 展开 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 4 75 4 1有限差分法原理 差商公式的构造 利用泰勒级数展开定义差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 5 75 4 1有限差分法原理 误差为O h 差商公式 一阶向前差商 一阶向后差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 6 75 4 1有限差分法原理 二阶向前差商 式 2 式 1 X2 误差为O h2 差商公式 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 7 75 4 1有限差分法原理 二阶向后差商 式 2 式 1 X2 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 8 75 4 1有限差分法原理 一阶向前差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 9 75 4 1有限差分法原理 一阶向后差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 10 75 4 1有限差分法原理 一阶中心差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 11 75 4 1有限差分法原理 二阶中心差商 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 12 75 4 1有限差分法原理 差分格式的收敛性和稳定性 收敛性 稳定性 当步长h 0时 差分方程的解趋向于微分方程的解 误差在运算过程中不会失控 即累计误差不会无限增加 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 13 75 4 1有限差分法原理 从数学上讲 没有限制的微分方程会有无穷多个解 不能构成一个定解问题 从物理上讲 描述物理问题的微分方程仅适用于描述在一个连续体或物理场的内部发生的物理过程 仅靠这些微分方程不足以确定物理过程的具体特征 因此 要想解决实际的物理问题 必须知道一个连续体或物理场的初始状态和边界受到的外界影响 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 14 75 4 1有限差分法原理 初始条件 与时间相联系 边界条件 边界受到外界的影响 偏微分方程的定解条件 常见的物理问题可以归结为三大类边界条件 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 15 75 4 1有限差分法原理 2第二类边界条件 诺依曼Neumann 1第一类边界条件 狄利克雷Dirichlet 热传导问题 边界 上温度分布已知 热传导问题 通过边界 单位面积上的热流量已知 n表示 的外法线q0定义在 上的已知函数 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 16 75 4 1有限差分法原理 由热力学傅立叶定律得 热流量 单位面积上的热流量 K 热传导系数 单位时间内通过给定截面的热量 正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积 而热量传递的方向则与温度升高的方向相反 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 17 75 4 1有限差分法原理 3第三类边界条件 洛平Robin 热传导问题 边界表面 与外界之间的热量交换已知 a0 b0 c0定义在 上的已知函数 外界温度为u0 热交换规律遵循热传导实验定律 单位时间内 从边界单位面积传递给周围的热流量正比于边界表面和外界的温度差 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 18 75 4 1有限差分法原理 对于实际物理问题 边界条件往往是很复杂的 可能是一种或不同边界区域几种边界条件的组合 甚至不能用这三类边界条件描述 热交换系数u 边界温度 单位面积上的热流量 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 19 75 4 2热传导方程的差分解法 物理学中对热传导 热辐射以及气体扩散现象的描述 常可以归结为同一类型的抛物线型方程 通常采用二阶偏微分方程描述 这类方程统称为热传导方程 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 20 75 4 2热传导方程的差分解法 一维各向同性 均匀介质 且无热源的热传导方程 为了求解u x t 还必须利用边界条件和初始条件 定解条件 边界条件和初始条件 定解问题 解存在 唯一并且连续依赖初始条件 4 2 1一维热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 21 75 4 2热传导方程的差分解法 对于一维热传导问题 第一类边界条件 数值解就是在求解区域 中某些离散点 xi ti 上求出u xi ti 足够近似的解 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 22 75 4 2热传导方程的差分解法 1把求解区域离散化 确定离散点 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 23 75 4 2热传导方程的差分解法 2推导差分递推公式 在节点 xi tk 上 二阶向前差商O h2 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 24 75 4 2热传导方程的差分解法 同样 在节点 xi tk 上 一阶向前差商O h HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 25 75 4 2热传导方程的差分解法 一维热传导方程可以近似为 令 O h HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 26 75 4 2热传导方程的差分解法 初始条件 边界条件 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 27 75 4 2热传导方程的差分解法 一维热传导方程显示差分递推公式为 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 28 75 4 2热传导方程的差分解法 显示差分递推公式的稳定性 对于一维热传导方程 差分格式为稳定差分格式的充分条件是 即 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 29 75 4 2热传导方程的差分解法 为了提高数值解的精度 必须减小 相应就要变小 这必然增加计算量 这就是显示差分格式的缺点 但它的优点是计算简单 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 30 75 4 2热传导方程的差分解法 差分格式计算步骤 给定 计算 计算初始值 计算边界值 用差分格式计算 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 31 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 32 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 33 75 4 2热传导方程的差分解法 X diag v k 若v为n个元素向量 返回一个阶数为n abs k 的方阵X 将v作为X的第k个对角元 k 0代表主对角元 k 0表示在主对角元之上 k 0表示在主对角元以下 v ones 1 5 X1 diag v X2 diag v 1 X3 diag v 1 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 34 75 4 2热传导方程的差分解法 1 2 diag ones 1 N 1 diag ones 1 N 2 1 diag ones 1 N 2 1 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 35 75 4 2热传导方程的差分解法 例4 2 1求热传导方程混合问题 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 36 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 37 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 38 75 9 24 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 39 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 40 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 41 75 4 2热传导方程的差分解法 二维各向同性 均匀介质 且无热源的热传导方程 初始条件 边界条件 4 2 2二维热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 42 75 4 2热传导方程的差分解法 同一维类似 把求解区域离散化 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 43 75 4 2热传导方程的差分解法 在节点 xi yj tk 上 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 44 75 4 2热传导方程的差分解法 在节点 xi yj tk 上 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 45 75 4 2热传导方程的差分解法 二维热传导方程可以近似为 令 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 46 75 4 2热传导方程的差分解法 差分递推公式为 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 47 75 4 2热传导方程的差分解法 边界条件 一 右图中阴影部分为绝热壁 此绝热壁可以用第二类边界条件描述 即热流量为零 第二类边界条件 通过边界表面单位面积上的热流量已知 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 48 75 4 2热传导方程的差分解法 差分近似为 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 49 75 4 2热传导方程的差分解法 递推公式为 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 50 75 4 2热传导方程的差分解法 二 i 0边界 M1 j M2区域为与高温恒温热源相连接的口 温度可取归一化值1 j 0和j M边界与低温恒温热源相连 温度始终为0 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 51 75 4 2热传导方程的差分解法 二维热传导方程显示差分递推公式为 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 52 75 4 2热传导方程的差分解法 稳定差分格式的充分条件是 即 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 53 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 54 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 55 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 56 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 57 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 58 75 4 2热传导方程的差分解法 view az el az 方位角el 仰角view 0 90 view 37 5 30 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 59 75 4 2热传导方程的差分解法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 60 75 4 3波动方程的差分解法 一维均匀弦线的自由振动方程 波动方程的差分解法也利用构造网格节点的方法 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 61 75 4 3波动方程的差分解法 用二阶中心差分近似方法得 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 62 75 4 3波动方程的差分解法 代入波动方程得 令 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 63 75 4 3波动方程的差分解法 边界条件 初始条件 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 64 75 4 3波动方程的差分解法 a初始条件 对于初始时刻速度 也须用差分格式给出 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 65 75 4 3波动方程的差分解法 a1向前差分 误差 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 66 75 4 3波动方程的差分解法 a2中心差分 由 得 k 0 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 67 75 4 3波动方程的差分解法 误差 整理得 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 68 75 4 3波动方程的差分解法 b边界条件 一维波动方程的差分格式有如下两种 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 69 75 4 3波动方程的差分解法 第一种 误差 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 70 75 4 3波动方程的差分解法 第二种 误差 HarbinInstituteofTechnologyYangkunkyang 71 75 4 3波动方程的差分解法 第二种差分格式精度要高于第一种 是经常采用的方法 理