理论教育 数值振荡效应--土建类偏微分方程数值解法

数值振荡效应--土建类偏微分方程数值解法

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:下面的分析表明,大的Δt对平均隐式格式会产生解的短波分量的空间振荡和摆动,即数值振荡。同时,对于长波分量来说,kΔx→0,则有sinkΔx→0,于是放大因子r→1,每推进一时间步长Δt,长波分量的相位改变很少,如图1.9.4所示。因为Δt很大时,r→0,解会由于大的数值耗散而不断衰减,短波分量也被衰减了,所以不会出现振荡。

数值振荡效应--土建类偏微分方程数值解法

全隐和平均隐式格式都是恒稳的,可取较大的时间步长Δt,由于存在数值耗散,当Δt过大时会影响计算精度,因此,时间步长Δt需根据具体问题以及计算精度的要求确定。

下面的分析表明,大的Δt对平均隐式格式会产生解的短波分量的空间振荡和摆动,即数值振荡。一维对流方程的六点格式(CrankNicolson,CN格式)的放大因子为

978-7-111-44528-9-Chapter01-397.jpg

其模|rh|=1,格式恒稳,计算幅值无衰减,数值耗散系数为零。

若把时间步长Δt取得很大,从而λ>>1。对于短波,波长λω≅4ΔxkΔt≅1,则sinkΔx≅1,于是

978-7-111-44528-9-Chapter01-398.jpg

这时放大系数的辐角Δφ→π,说明经过Δt时间后同一x位置的短波分量相位改变了180°,短波分量产生了振荡。同时,对于长波分量来说,kΔx→0,则有sinkΔx→0,于是放大因子r→1,每推进一时间步长Δt,长波分量的相位改变很少,如图1.9.4所示。这样,当取大的时间步长时,平均隐式格式引起了短波分量的数值振荡,使计算不稳定。

利用CN格式求解一维扩散方程时,其放大因子为(www.daowen.com)

978-7-111-44528-9-Chapter01-399.jpg

式中,978-7-111-44528-9-Chapter01-400.jpg

对于短波978-7-111-44528-9-Chapter01-401.jpg978-7-111-44528-9-Chapter01-402.jpg,产生数值振荡。因为978-7-111-44528-9-Chapter01-403.jpg,若取同样的Δt和Δx时,扩散方程的CN格式比对流方程的CN格式更容易产生振荡。

无论对流方程还是扩散方程,其全隐格式都不产生数值振荡。因为Δt很大时,r→0,解会由于大的数值耗散而不断衰减,短波分量也被衰减了,所以不会出现振荡。全隐格式的另一个特点是波相速度减小。

978-7-111-44528-9-Chapter01-404.jpg

的短波数值振荡

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈