Явная разностная схема для волнового уравнения

Волновое уравнение

Одним из наиболее распространенных в инженерной практике уравнений с частными производными второго порядка является волновое уравнение, описывающее различные виды колебаний. Поскольку колебания — процесс нестационарный, то одной из независимых переменных является время t. Кроме того, независимыми переменными в уравнении являются также пространственные координаты х, у, z. В зависимости от их количества различают одномерное, двумерное и трехмерное волновые уравнения.

Одномерное волновое уравнение – уравнение, описывающее продольные колебания стержня, сечения которого совершают плоскопараллельные колебательные движения, а также поперечные колебания тонкого стержня (струны) и другие задачи. Двумерное волновое уравнение используют для исследования колебаний тонкой пластины (мембраны). Трехмерное волновое уравнениеописывает распространение волн в пространстве (например, звуковых волн в жидкости, упругих волн в сплошной среде и т.п.).

Рассмотрим одномерное волновое уравнение, которое можно записать в виде

(2.63)

Для поперечных колебаний струны искомая функция U(x,t) описывает положение струны в момент t. В этом случае а2 = Т/ρ, где Т — натяжение струны, ρ — ее линейная (погонная) плотность. Колебания предполагаются малыми, т.е. амплитуда мала по сравнению с длиной струны. Кроме того, уравнение (2.63) записано для случая свободных колебаний. В случае вынужденных колебаний в правой части уравнения добавляют некоторую функцию f(x,t), характеризующую внешние воздействия, при этом сопротивление среды колебательному процессу не учитывается.

Простейшей задачей для уравнения (2.63) является задача Коши: в начальный момент времени задаются два условия (количество условий равно порядку входящей в уравнение производной по t):

(2.64)

Эти условия описывают начальную форму струны и скорость ее точек .

На практике чаще приходится решать не задачу Коши для бесконечной струны, а смешанную задачу для ограниченной струны некоторой длины l. В этом случае задают граничные условия на ее концах. В частности, при закрепленных концах их смещения равны нулю, и граничные условия имеют вид

(2.65)

Рассмотрим некоторые разностные схемы для решения задачи (2.63)-(2.65). Простейшей является явная трехслойная схема типа крест (шаблон показан на рис. 2.21). Заменим в уравнении (2.63) вторые производные искомой функции Uпо tи х их конечно-разностными соотношениями с помощью значений сеточной функции в узлах сетки :

Рис. 2.21. Шаблон явной схемы

Отсюда можно найти явное выражение для значения сеточной функции на ( j + 1)-ом слое:

(2.66)

Здесь, как обычно в трехслойных схемах, для определения неизвестных значений на (j + 1)-ом слое нужно знать решения на j-ом и (j — 1)-ом слоях. Поэтому начать счет по формулам (2.66) можно лишь для второго слоя, а решения на нулевом и первом слоях должны быть известны. Их находят с помощью начальных условий (2.64). На нулевом слое имеем

(2.67)

Для получения решения на первом слое воспользуемся вторым начальным условием (2.64). Производную заменим конечно-разностной аппроксимацией. В простейшем случае полагают

(2.68)

Из этого соотношения можно найти значения сеточной функции на первом временном слое:

(2.69)

Отметим, что аппроксимация начального условия в виде (2.68) ухудшает аппроксимацию исходной дифференциальной задачи: погрешность аппроксимации становится порядка , т.е. первого порядка по τ, хотя сама схема (2.66) имеет второй порядок аппроксимации по hи τ. Положение можно исправить, если вместо (2.69) взять более точное представление:

(2.70)

Вместо нужно взять . А выражение для второй производной можно найти с использованием исходного уравнения (2.63) и первого начального условия (2.64). Получим

Тогда (2.70) примет вид:

(2.71)

Разностная схема (2.66) с учетом (2.71) обладает погрешностью аппроксимации порядка

При решении смешанной задачи с граничными условиями вида (2.65), т.е. когда на концах рассматриваемого отрезка заданы значения самой функции, второй порядок аппроксимации сохраняется. В этом случае для удобства крайние узлы сетки располагают в граничных точках (х0=0, xI = l). Однако граничные условия могут задаваться и для производной.

Например, в случае свободных продольных колебаний стержня на его незакрепленном конце задается условие

(2.72)

Если это условие записать в разностном виде с первым порядком аппроксимации, то погрешность аппроксимации схемы станет порядка . Поэтому для сохранения второго порядка данной схемы по hнеобходимо граничное условие (2.72) аппроксимировать со вторым порядком.

Рассмотренная разностная схема (2.66) решения задачи (2.63) — (2.65) условно устойчива. Необходимое и достаточное условие устойчивости:

(2.73)

Следовательно, при выполнении этого условия и с учетом аппроксимации схема (2.66) сходится к исходной задаче со скоростью O(h2+τ2). Данная схема часто используется в практи-ческих расчетах. Она обеспечивает приемлемую точность получения решения U(x,t), которое имеет непрерывные производные четвертого порядка.

Рис. 2.22. Алгоритм решения волнового уравнения

Алгоритм решения задачи (2.63)-(2.65) с помощью данной явной разностной схемы приведен на рис. 2.22. Здесь представлен простейший вариант, когда все значения сеточной функции, образующие двумерный массив, по мере вычисления хранятся в памяти компьютера, а после решения задачи выводятся результаты. Можно было бы предусмотреть хранение решения лишь на трех слоях, что сэкономило бы память. Результаты в таком случае можно выводить в процессе счета (см. рис. 2.13).

Существуют и другие разностные схемы решения волнового уравнения. В частности, иногда удобнее использовать неявные схемы, чтобы избавиться от ограничений на величину шага, налагаемых условием (2.73). Эти схемы обычно абсолютно устойчивы, однако алгоритм решения задачи и программа для компьютера усложняются.

Построим простейшую неявную схему. Вторую производную по tв уравнении (2.63) аппроксимируем, как и ранее, по трехточечному шаблону с помощью значений сеточной функции на слоях j— 1, j, j + 1. Производную до х заменяем полусуммой ее аппроксимации на (j + 1)-ом и (j— 1)-ом слоях (рис. 2.23):

Рис. 2.23. Шаблон неявной схемы

Из этого соотношения можно получить систему уравнений относительно неизвестных значений сеточной функции на (j+ 1)-ом слое:

(2.74)

Полученная неявная схема устойчива и сходится со скоростью . Систему линейных алгебраических уравнений (2.74) можно, в частности, решать методом прогонки. К этой системе следует добавить разностные начальные и граничные условия. Так, выражения (2.67), (2.69) или (2.71) могут быть использованы для вычисления значений сеточной функции на нулевом и первом слоях по времени.

При двух или трех независимых пространственных переменных волновые уравнения принимают вид

Для них также могут быть построены разностные схемы по аналогии с одномерным волновым уравнением. Разница состоит в том, что нужно аппроксимировать производные по двум или трем пространственным переменным, что, естественно, усложняет алгоритм и требует значительно больших объемов памяти и времени счета. Подробнее двумерные задачи будут рассмотрены ниже для уравнения теплопроводности.

Разностные схемы для уравнения гиперболического типа.

Одномерным волновым уравнением называется следующее гиперболическое уравнение в частных производных:

, (1) 0 2 ) соответственно.

Разностные схемы явные, так как в каждое разностное уравнение входит лишь одно неизвестное

Анализ устойчивости разностных схем с помощью спектрального признака приводит к тому, что они обе абсолютнонеустойчивы и, следовательно, для численного решения волнового уравнения непригодны.

— множитель перехода для схемы с центральной разностью.

1. Метод использования разностей против потока.

Простую явную схему Эйлера можно сделать устойчивой, если при аппроксимации производной по пространственной переменной использовать не разности вперед, а разности назад в тех случаях, когда скорость волны сположительна.

Если скорость волны сотрицательна, то устойчивость схемы обеспечивается при использовании разностей вперед.

С>0 разность назад

Множитель перехода равен

Схема устойчива при – число Куранта

Отметим, что эта схема не всегда обладает условием согласованности, так как может не стремится к нулю при . Однако если число Куранта , то при условие согласованности выполняется.

Согласованной называется разностная схема, аппроксимирующая данное уравнение в частных производных, т. е. погрешность аппроксимации (разность между дифференциальным уравнением и его конечно-разностным аналогом) стремится к нулю при измельчении сетки.

1. Неявный метод Эйлера

Погрешность аппроксимации

Схема абсолютно устойчива, при использовании этой схемы приходится решать систему линейных алгебраических уравнений на каждом шаге по времени

Начальные условия заданы, матрица трех диагональная, применяем методпрогонки

При использовании неявных схем на каждом шаге по t приходится проводить больше вычислений, чем при использовании явных схем, но зато можно проводить расчеты с существенно большим шагом Dt.

1. Метод с перешагиванием (чехарда)

Перейдем к схемам 2-го порядка точности.

Это трехслойная схема по времени, погрешность аппроксимации равна

. Метод устойчив при

· начальные условия нужно задавать на двух слоях по t ;

· связан с перешагиванием, т.е. не зависит от , что приводит к появлению двух независимых решений;

· высокие требования к памяти.

1. Метод Лакса-Вендроффа

Схему Лакса-Вендроффа можно построить исходя из разложения в ряд Тейлора:

Из волнового уравнения следует

Заменив и на центральные разности 2-го порядка, получим:

Явная одношаговая схема 2-го порядка с погрешностью аппроксимации , устойчивая при

1. Метод Мак-Кормака

Широко применяется для решения уравнений газовой динамики (нелинейных уравнения в частных производных).

Предиктор:

Корректор:

Отметим, что в предикторе – разность вперед, в корректоре – разность назад.

Можно поступить и наоборот, что бывает полезно при решении некоторых задач, например, задачи с движущимися разрывами.

1. Центрированная по времени неявная схема.

Для построения неявной разностной схемы 2-го порядка вычтем 2 ряда Тейлора:

и заменим на

В результате получим

Такое выражение для разностной производной называется конечно-разностной аппроксимацией по Кранку – Николсону.

Для линейного волнового уравнения имеем:

Подставляя вместо членов с производной по x — замену центральной разностью, получаем

Это схема имеет погрешность порядка , абсолютно устойчива, решается методом прогонки. Множитель перехода равен

При использовании методов повышенного порядка точности (3-го, 4-го) за увеличение точности приходится платить увеличением времени счета и усложнением разностной схемы. Это необходимо учитывать при выборе разностной схемы.

Обычно, для большинства приложений достаточную точность позволяют получить методы 2-го порядка точности.

При решении одномерного волнового (линейного) уравнения явные методы предпочтительнее, чем неявные, так как решение нестационарное (нас интересуют значения величин через небольшие промежутки времени)

Дата добавления: 2014-12-03 ; просмотров: 246 ; Нарушение авторских прав

Разностный метод для уравнения колебаний

8.1. Разностный метод для уравнения колебаний

8.1.1. Уравнение колебаний струны. Явная схема

Рассмотрим задачу о малых колебаниях натянутой струны с распределенной по длине нагрузкой f(x, t) (см. рис. 8.1):

(8.11)

(8.12)

(8.13)

Струна совершает плоские колебания, т. е. точки струны перемещаются параллельно плоскости t = 0.

Функция u(x, t) выражает смещение точки x струны в момент времени t от прямолинейной формы.

Начальные условия (8.12) означают следующее. Форма струны в начальный момент времени t = 0 выражается функцией μ(x). Скорость перемещения точки x струны в момент времени t = 0 равна значению функции μ0(x).

Краевые условия (8.13) говорят о том, что левый конец струны с течением времени совершает смещение μ1(t), а правый конец — смещение μ2(t).

Если концы струны закреплены, то μ1(t) = μ2(t) = 0.

Мы предполагаем, что начальные условия (8.12) и краевые условия (8.13) должны быть согласованы между собой в угловых точках, т. е. выполнены условия .

На рис. 8.1 представлен случай, когда , .

Введем сеточную область (рис.8.2, a)). В прямоугольной области зададим точки:

(8.14)

Рассмотрим уравнение (8.11) в точках , , , и заменим производные разностными формулами

, (8.15)

Обозначим через приближенные значения искомой функции в точках . Тогда из уравнения (8.11) получим разностное уравнение (разностную схему), которое аппроксимирует уравнение (8.11) с порядком O(h2 + τ2):

(8.16)

На рис. 8.2 b) изображен шаблон «крест» разностного уравнения (8.16). Разностное уравнение (8.16) связывает значения неизвестной функции на трех слоях (k – 1, k, k + 1).

На слое k = 0 заданы начальные условия (8.12), из которых следует, что

. (8.17)

Чтобы найти значения неизвестной функции на слое k = 1, используем условие для производной ut(x, 0) из (8.12). Для этого построим разложение в ряд Тейлора

. (8.18)

Из уравнения (8.11), учитывая первое условие в (8.12), выразим вторую производную

. (8.19)

Теперь, учитывая условие в (8.12), из (8.18), (8.19) выводим формулу для вычисления значений функции на первом слое:

. (8.20)

С учетом (8.13), окончательно получим для приближенных значений искомой функции на первом слое формулы

. (8.21)

Учитывая граничные условия (8.13) из (8.16) выводим формулы для вычисления значений на слоях :

(8.22)

Мы получили явные формулы (8.17), (8.21), (8.22) решения разностной задачи.

Разностная схема называется устойчивой, если она имеет единственное решение и малым изменениям исходных данных отвечают малые изменения решения.

Приведем без доказательства (доказательство можно найти в [9]) следующий факт: для выполнения условия устойчивости разностной схемы (8.16) необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие Куранта cτ 0 находим методом прогонки, последовательными вычислениями в несколько этапов.

2.1. Вычислим правые части (8.26):

(8.29)

2.2. Вычислим прогоночные коэффициенты:

(8.30)

(8.31)

(8.32)

2.3. Вычислим решение ui,k+1:

(8.33)

(8.34)

Отметим преимущества неявной схемы перед явной схемой:

В явной схеме надо выбирать шаги h и τ так, чтобы выполнялось условие устойчивости (условие Куранта) cτ