理论教育 非规则计算域边界条件的处理-偏微分方程数值解法

非规则计算域边界条件的处理-偏微分方程数值解法

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于第一类边界条件,主要有两种不同精度的处理方法。图1.4.3 直接转移第二种方法是线性插值。对于图1.4.3中的点P,可取B和C两点或Q和R两点作线性插值或一次插值的截断误差为O或O。于是,在结点P处,有但点C一般不是结点,因此需要以点B和点E的值作线性插值,来近似表示u,即于是进一步近似,取由点Q的第三类边界条件最终得到点P的差分方程为

非规则计算域边界条件的处理-偏微分方程数值解法

一般情况下,边界Γ是一条曲线,并且不和差分网格结点吻合,需要作近似处理才能达到要求的计算精度。对于第一类边界条件,主要有两种不同精度的处理方法。

第一种方法是零次插值,也称做直接转移,这是一种最简单的近似处理方法,如图1.4.3所示。若边界结点S正好落在边界Γ上,此时有

uSS

若边界点P不在边界Γ上,可在边界Γ上取一个与点P最靠近的网格线上的点,如图1.4.3中的点R,以φR)近似代替,即uP=φR)。零次插值的局部误差为Oh)或Ol)。

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图1.4.3 直接转移

第二种方法是线性插值。对于图1.4.3中的点P,可取BC两点或QR两点作线性插值

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一次插值的截断误差为Ol2)或Oh2)。

对于第二、第三类边界条件,处理方法有多种,这里介绍比较简单的处理方法,为了叙述方便,采用正方形网格,即l=h

若外法向与坐标轴平行,如图1.4.4所示,此时,分别有

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图1.4.4 外法向与坐标轴平行

于是,边界结点P的第三类边界条件可离散化为

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若外法线与坐标轴方向不平行,如图1.4.5所示,则

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图1.4.5 外法向与坐标轴不平行

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图1.4.6 边界点处理

于是,边界结点P的第三类边界条件可离散化为

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若边界点P不在边界Γ上,如图1.4.6所示,此时,过点P作边界Γ的外法线,交边界Γ于点Q,另一端交网格线于点C。显然,978-7-111-44528-9-Chapter01-111.jpg978-7-111-44528-9-Chapter01-112.jpg。于是,在结点P处,有

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但点C一般不是结点,因此需要以点B和点E的值作线性插值,来近似表示uC),即

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于是

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进一步近似,取

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由点Q的第三类边界条件

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最终得到点P的差分方程为

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