научная статья по теме РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА Математика

Текст научной статьи на тему «РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 6, с. 980-987

УДК 519.633

РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА

© 2007 г. О. П. Комурджишвили

(0186 Тбилиси, ул. Университетская, 2, ИПМ ТГУ им. И.Н. Векуа)

e-mail: gord@viam.hepi.edu.ge

Поступила в редакцию 7.06.2005 г. Переработанный вариант 24.07.2006 г.

Приводится описание численного алгоритма для интегрирования многомерных гиперболических уравнений второго порядка и систем гиперболического типа. Конструктивно построены как условно, так и безусловно устойчивые разностные схемы. Исследование полученных конечно-разностных схем основывается на общем принципе регуляризации, основоположником которого является A.A. Самарский. Библ. 5.

Ключевые слова: многомерные гиперболические уравнения и их системы, регуляризация, разностные схемы, устойчивость схемы.

ВВЕДЕНИЕ

Многие задачи математической физики связаны с уравнениями и системами гиперболического типа, численные методы решения которых начались с фундаментальных исследований Куранта, Фридрихса, Леви.

В настоящее время известны эффективные алгоритмы (экономичные схемы) для решения динамических задач упругости, колебаний и для некоторых других задач. Достаточно привести такие известные алгоритмы, как дробно-шаговые, факторизованные, локально-одномерные и др. схемы. Сравнительно объемную библиографию, связанную с этими вопросами, см. в [1]-[3].

Отметим, что все экономичные методы имеют одну общую алгоритмическую идею: процесс отыскания приближенного решения многомерной задачи разбивается на несколько этапов, на каждом из которых решается трехточечная разностная задача методом прогонки.

Предложенный численный алгоритм для интегрирования многомерных уравнений второго порядка и систем гиперболического типа, где конструктивно задается как условно, так и безусловно устойчивые разностные схемы, вполне вмещается в рамки предложенной идеи.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ

Рассмотрим первую начально-граничную задачу следующего вида для гиперболического уравнения в цилиндре QT:

д2

2-1 - ^ = /(х, г), (X, *) е QT = О х (0 < г < Т), д( (1.1)

и(х, 0) = и0(х), ^ = и0(х), и(х, г)|г = 0, х = (х!,..., хр)е О,

О = О + Г естьр-мерный прямоугольный параллелепипед (0 <х,< 1, / = 1, р), и0, и0,/- заданные

разностные схемы для решения многомерных уравнении функции, а эллиптический оператор Ь имеет вид

р Э2

Ь =1

г, } = 1

чд хгд х/

(1.2)

С-1 ^ ^ X агЛг^ * С2^, ^ ^ С1 > 0'

г,} = 1

г = 1

г = 1

Область интегрирования QT = О х [0, Т] разобьем плоскостями хг = кИг, Иг > 0, к = 0, 1, ..., Ах, ^ = }т,} = 0, 1, ..., А0, на элементные ячейки. Для простоты предположим, что по хгосям ^ = И =

= А , а по Т-осям т = Т/А0.

При построении схем сначала для случая р = 2 рассмотрим сечения 5к, к = 1, 3 , элементарной ячейки размерности (2И, 2И, 2т), в центре которой расположен основной узел 0(х1г, х2г, ^). Выпишем координаты вершин сечения 5к, к = 1, 2, 3:

5: ^ {(хи + И, х2г, 1} + Т), (хи - И, х2г, tj + Т), (х1 г - И, х2г, tj - Т), (хи + И, х2г, Г} - Т)},

§2 ^ {(х1г, х2г + И, tj + т), (хи, х2, - И, tj + т), (х1 г, х2, - И, t} - Т), (х1г, х2, + И, t} - Т)},

5з ^ {(х 1 г + И, х2г + И, tj), (х1; - И, х2, + И, tj), (хи - И, х2, - И, t}), (х1г + И, х2, - И, tj)}

и рассмотрим, соответственно, следующие направления (¡г) на сечениях 51, 52, 53:

(¡1, ¡2,13,¡4)5 ^ (а1, п - а, п + а, 2п - а),

(¡1, ¡2, ¡з, ¡4)в2 0, 0, п, п),

(¡1, ¡2, ¡3, ¡4)5 ^ (а1, п - а, п + а, 2п - а),

где а - угол, образованный между осью 0хг и направлением ¡1 - положительном направлении отсчета в точке 0(х1, х2, ^). Далее воспользуемся следующими тождественными представлениями данного уравнения:

(в + а 11) —^ = а а дt

22 д и + р" и

дt2 дх1

а22р

2

ди уд х^/

■2аи в

д2и д х1д х2уз3

в/,

(1.3)

д2и

(в + а22) —2 = а11 дt

2

д--- и

Чд х2У

22 д-- и + вд--- и

дt2 д х2

2

2 а-2 в/ •

(1.4)

где в ^ 0 - действительное число, которое ниже однозначно определяется. Используем формулу

(1.5)

д2и д2и 2 д2и

—- = —-ео8 аг + 2--—--—ео8 аг эт аг

д¡2 д х2 д х1д х2

д2и 2 —281П аг

д х 22

2

и выпишем на 5к (к = 1, 2, 3) формулу (1.5) для каждого г = 1, 4. Для к = 1:

д2и -д---¡--1-2- д2и д¡32 д2и 2 = —2 со® а + д х 12 д2и 2=-—-г-соэ а эт а - д х1д t д2-и э7 2 эт а,

д2и -д---¡--2-2- д2и д ¡4 д2и 2 = —^ со® а - д х 12 д2и 2--—-г-соэаэта - д х1 дt д2-и э7 2 эт а.

р

р

р

2

Просуммируем полученные равенства, разделим на 4 sin2a и получим

д2 и + рЭ2 и = 1 х д2и Э г Э хг 481п аг = 1 Э /

(1.6)

где в = а = (к/т)2. Для к = 2

Для к = 3

Э2и Э2и Э2 и ЭI2 Э/2 Эх2

(1.7)

Э2и

Эх1 Эх2 881п а со8 а

Э2 и Э2 и + Э2 и Э2 и Э/2 Э ¡2 Э/2 Э/4

(1.8)

Подставляя (1.6), (1.7), (1.8) в уравнение (1.3), получаем

,а, ,Э и ап

(в+>э? = т

4 2

1 ^ Э и

• 2 X , 2

8т аг = 1 Э ¡^ 5,

+ а22 в

2

Эи

э ¡2

15

+

а12 в

1

8ш а со8 а

Э2 и Э2 и + Э2 и Э2 и

э¡2 э¡2 э/2 э/4/_

в/.

(1.9)

Выпишем разностный аналог для дифференциального уравнения (1.9):

(в + аи) % = ^

4

-г- X

аг = 1 /5,

+ а22 в( \ и )52 +

+

а12в

1

8ш а со8 а

( ¡1/1 /2/ 2 /3/3 /4/4)

в/,

(1.10)

где

и (хи + к, х21, + т) и(хи, х2р ) и(хи к, х21, т) и (х 1 х2р )

(ик )5 = -\---, ( и- )5 = -)--,

1 51 2 2 /1 51 2 2

л/к + т л/к + т

(и/, )5 =

и (хи к, х2,, + т) и(х1г-, х2,, )

к

22 + т

(ии)5 =

и(х1 г + к, х2Ь т) и (х 1 Ь х2Ь )

22 + т

Для коэффициентов, правой части и решения сохраняем те же обозначения, просто в разностных схемах их дискретные аналоги определяются или задаются в основных (х1г, х2, ) узлах. Принимая во внимание равенства

т к2

(81П а)51 = • • (81П а)5з = • . (С08 а)5з =

к2 + т2

к2 + к2

к2 + к2

• 2 Аи ¡,¡1 ®1П аг = 1 /5!

= игг + —

2 т2

и ( х 1, + к, х2г, г } + т ) - 2 и( х 1 г, х2,, ^ + т) + и ( х и - к, х2 г , ^ + т)

к2

+

и ( х 1г + к , х 2 г , ^ - т ) - 2 и ( х 1 г , х2 ., ^ - т ) + и ( х1. - к , х2 ., ^ - т)

к 12

5

2

записываем разностную схему (1.10) в следующем каноническом виде:

(Е + т2 Я1) и„ = Ь2кп + /, (1.11)

где

а12

Ь2ки = а 11 иХ1 Х. + —[(иХ1 + и-Х1) х2 + (иХ1 + и-Х1) х2 ] + а22 иХ2х2,

Я1 = 1 а11 А1' А1 = —^Ц' Д11и = их1 х1-

Если на сечениях 5Х, 52 поменять местами направления ^ (1 = 1, 4), т.е. на 5Х рассмотреть направление (¡1, ¡2,¡3, ¡4)д ^ (0, 0, п, п), а на 52 - направление (¡1,12,¡3, ¡4)5з ^ (а, п - а, п + а, 2п - а), и повторить дословно проведенные рассуждения, получим следующую разностную схему:

(Е + т2 ^2) и„ = ¿2йи + /' (1.12)

где

Я2 = Ц а22А2' А2 = -Д22' Д22и = их2Х2-

Детальное рассуждение для получения разностной схемы (1.11), (1.12) проведено для того, чтобы аналогичным образом выписать схемы для задачи (1.1):

(Е + т2 Як) иа = ЬРки + /, к = 1, р,

т2 (1.13)(к)

и(х, 0) = ио(х)' и(т) = и0 + т^ + у(1рЙи + /), = 0' и|гл = 0'

где

р р а

ЬрЪи = Xацих.х.^ + X 1ихг + их;)х7 +(их, + их,)х.]'

г = 1 г, ] =1

г * 1

Як = аккАк' Дк = -Дкк' Дкки = ихкхк' к = 1 р-

Равенства (1.13)(к), к = 1, р, представляют собой одномерные, независимые друг от друга, эквивалентные, имеющие полную аппроксимацию конечно-разностные схемы, для реализации которых применяется метод прогонки, соответственно, вдоль осей охк (к = 1, р).

Отметим, что в дальнейшем при исследовании схем (1.13)(к) будем пользоваться соответствующими схемами с с-параметром, в частности

(Е + ст2 Як) иа = ЬрНи + /, к = 1, р. (1.14)(к)

2. РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ

Для иллюстрации предлагаемого метода в качестве примера посмотрим, как выписываются разностные схемы для систем уравнений динамических задач теории упругости.

комурджишвили 2.1. Постановка задачи

д2 u

Р Д2

д u

—2й- Lu = f, Lu = цАи + (X + ^)graddiv u, A u = ^—2,

д f

1 д хг-

г = 1 г

(2.1)

u(х, 0) = u0(х), (х' 0) = u1 (х), х e G, u(х, t) = 0 при х e Г, t e [0, T], д t

,0 „1

где u0, u1, f- заданные вектор-функции, X = const > 0, ц = const > 0, u = (u1, ..., up). Условие положительной определенности выполнено при С1 = ц, C2 = X + 2ц.

Одна из основных идей построения схем состоит в тождественном представлении систем дифференциальных уравнений.

2.2. Случайp = 2

(R , l )д2uг г

(Р + «11) —г = а11

д t

(R ^ г )д uг г

(Р + «22 ) —7 = «22 д t

д u, пд uг -1 + В--

22

д t2 д х2

22 д uг _д u,-

"Г + Р "Г

д t д хь

Р а-1

Р«2

2

д u

д х 22

2р а1

д2 u

Р f,

2

д u

2

д х 12

2 р а

12

51

д2^

д х1 д х2У5

д х1д х2у 53

+ , г = 1,2, j.

Повторив дословно рассмотренный в п. 2.1 метод построения разностных схем и приняв во внимание, что в = (к/т)2, получим следующие разностные задачи, соответствующие граничной задаче (2.1):

(E + от2 R1l)u]ti = L]hu + fj,

u(х, 0) = u°(х), ut(х, 0) = ui (х) = u(х) + 1 т(Ljhu\х) + f (х, 0)),

2

Mo,)

где

uIг =0, k1 = 1, 4,

L1hu = «П u1 х1х1+ 2«12A12u2+ «22u1 х2х^

22 L2hu = «22 u2 х2 х2 + 2 «12A12u1 + «11 ^х^

A19u = 1 [(^ + ^ ) + (uY + uх )_ ],

12 4 х1 х1 X2 х1 х1 X2

Qu = «222 = X + 2 ц, «J2! = «22 = ц, «12 = 1 (X + ц),

Rl = 1 «lUi, R,2 = 2«г2Aг^ ^ j = 1 2.

2.3. Разностная схема приp = 3

Она строится аналогично 2.2:

где

(E + от2R-)u]tt = Ljhu + fj, k 1 = 1, 9,

L1hu = « П u1 х1 х,+ «22 u1 х2х2 + «33 u1 х3 х3 + 2 «12 (A12 u2 + A13 u3 ),

(2.3)(k1)

L2hu = «22 u2 х2 х2 + «П u2 х1 х1 + «33 u2 х3 х3 + 2 «12 (A12 u1+ A23 u3 ),

2

Ьзки = а 31 из х1 ^ + а22 и3 х2х2 + а33 и3 х3 х3 + 2 а12 (А13 и1+ А23 и2 ),

Аари = 4[(иха + иха)хв + (иха + иха)хв], а, в = 1, 2, 3, а^в, я,1 = 1 аг'^г, В, = 1 аг2Лг, В, = 2аг3Лг, , = 1, 2, 3,

1 2 3 - , 2 1 3

а 11 = а22 = а33 = Л + 2Ц, ап = а22 = а22 = Ц..

Замечание 1. Чтобы нумерация схемы с индексом кх отражала схемы, приведенные ниже в разд. 3, необходимо, чтобы сначала индекс , принял все указанные значения, и далее в полученных системах (р = 2, 3) надо изменять индекс

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕННОЙ РАЗНОСТНОЙ СХЕМЫ

Исследование полученной конечно-разностной схемы основывается на общем принципе регуляризации из [4], [5].

Пусть йк = {х, = ОА, ..., ,ркр)} - сетка в 0, 0 </„ <Иа, ка = 1Ма, а = 1, 2, ...,р, а ют = ^ = ''т, j = 0, 1, ..., } - сетка на отрезке 0 < г < Т.

Введем пространство Н сеточных функций, заданных на йк и обращающихся

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком