理论教育 抛物型方程步进法:结果

抛物型方程步进法:结果

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:对上式中的时间导数项采用式的插值函数,并取δu=Ni可以获得单元有限元方程为其中若e单元中没有边界落在自然边界Γ2上,则fi取零值。由式可以根据前时段各结点的值um,反复求得后时段各结点的值um(k+1)。有限元方程式中当θ=1时,等号左边括号内的第二项为零,这时式是对求解um(k+1)的显式格式。

抛物型方程步进法:结果

考虑一维抛物型方程

其伽辽金积分表达式为

分部积分后得

其中,D为求解域,Γ2是自然边界。

对上式中的时间导数项采用式(3.11.2)的插值函数,并取δu=Ni可以获得单元有限元方程为

其中

e单元中没有边界落在自然边界Γ2上,则fie)取零值。

将单元有限元方程(3.11.5)在全域内汇集起来,可得到总体有限元方程

对(3.11.6)进行强加边界条件处理,如采用对角线项扩大法,只需对Bnm和fn相应的元素乘以一个大数G。若第r结点属于强加边界条件,并有978-7-111-44528-9-Chapter03-318.jpg,则元素Brr改为GBrrfr改为Gfrur,其余结点的处理类同,并可得到修正后的总体有限元方程

这是一个含有N个未知数u1tu2t,…,uNt的常微分方程组,其初值条件为

uit|t=0=u0xi=ui(0) (3.11.8)(www.daowen.com)

其中初值函数

u0x=uxt|t=0

可由原始偏微分方程的初值条件给出。

微分方程组(3.11.7),一般采用有限差分解法,对求解的时间区间[0,T]进行离散化处理。设时间步长978-7-111-44528-9-Chapter03-320.jpgt=tk=kΔtk=1,2,…,K),时间导数项u·m引进差分算子

将上列三种差分格式代入式(3.11.7)后也有相应的三种不同的形式。以向前差分格式为例,有

对于式(3.11.9)中的um,也可以采用不同的形式,如

根据上式,相应于式(3.11.9)有三种形式,并可统一写成如下形式

上式中的θ分别取1,0和1/2,就是um取式(3.11.10)中三种数值时,相应于式(3.11.9)的步进法有限元方程。由式(3.11.11)可以根据前时段各结点的值umk),反复求得后时段各结点的值umk+1)。

有限元方程式(3.11.11)中当θ=1时,等号左边括号内的第二项为零,这时式(3.11.11)是对求解umk+1)的显式格式。当θ=0,978-7-111-44528-9-Chapter03-325.jpg时,式(3.11.11)则为隐式格式。可以证明,上面的显式格式是属于有条件稳定的,而隐式格式则是无条件稳定的,使用时应当注意。

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