理论教育 偏微分方程数值解法:显式与隐式差分格式

偏微分方程数值解法:显式与隐式差分格式

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:以上根据式可由前一时刻t=nτ的各已知值,逐点直接计算以后的时刻t=(n+1)τ每一个网格结点的未知值,差分格式称为显式差分格式。采用式需求解方程组,同时求出各时间层的全部未知量,这种差分格式称为隐式差分格式。显然,隐式差分格式需求解大型代数方程组,通常需要处理大型矩阵。

偏微分方程数值解法:显式与隐式差分格式

由式(1.3.7)可得

可见,当n时刻的Tni-1TniTni+1等均为已知值时,可计算出n+1时刻的Tni+1值。于是可以从n=0开始,由初始条件中T0i-1T0iT0i+1的各已知值出发,由式(1.3.12)计算下一时间层n=1时的Ti1-1Ti1Ti1+1各值。然后再由T1i-1T1iTi1+1各值计算下一时间层T2i-1T2iT2i+1各值,如此推进下去,可求得任何时刻各网格结点上的Tni+1值。以上根据式(1.3.12)可由前一时刻t=的各已知值,逐点直接计算以后的时刻t=(n+1)τ每一个网格结点的未知值,差分格式(1.3.7)称为显式差分格式。从上面的分析可以看到,抛物型方程显式差分格式的推进求解需给定边界条件,对于均匀细杆的非稳态热传导问题而言,要给出杆两端的温度。

如在时间上改用向后差分,空间上仍采用中心差分,则式(1.3.6)的差分方程式为(www.daowen.com)

式(1.3.13)与式(1.3.7)有本质上的不同,在式(1.3.13)中,虽Tni-1为已知值,但Tni-1TniTni+1均未知,因此,无法采用显式差分格式的推进求解方法,而必须同时列出各空间点的差分方程式。例如,在x轴上有k个未知量Tn1T2n,…,Tnk,由式(1.3.13)列出具有k个方程式的方程组,求解这个方程组,才可由前一时刻的已知量同时求出下一时刻各空间点的未知量。采用式(1.3.13)需求解方程组,同时求出各时间层的全部未知量,这种差分格式称为隐式差分格式。显然,隐式差分格式需求解大型代数方程组,通常需要处理大型矩阵

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