научная статья по теме МОНОТОННАЯ БИКОМПАКТНАЯ СХЕМА ДЛЯ КВАЗИЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА Математика

Текст научной статьи на тему «МОНОТОННАЯ БИКОМПАКТНАЯ СХЕМА ДЛЯ КВАЗИЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 446, № 5, с. 504-509

ИНФОРМАТИКА

УДК 519.6

МОНОТОННАЯ БИКОМПАКТНАЯ СХЕМА ДЛЯ КВАЗИЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА

© 2012 г. Б. В. Рогов

Представлено академиком Б.Н. Четверушкиным 05.03.2012 г. Поступило 05.03.2012 г.

Уравнения и системы уравнений гиперболического типа составляют значительную часть математических моделей, используемых для решения разнообразных прикладных задач [1]. Из них ряд задач связан с нахождением обобщенных решений, которые описываются кусочно-гладкими функциями. Для нахождения численных решений нелинейных задач широкое распространение получили разностные схемы сквозного счета повышенного порядка аппроксимации. Важнейшими свойствами, которыми должны обладать такие схемы, являются монотонность [1] и консервативность [2], поэтому построению монотонных и консервативных разностных схем посвящена обширная литература [1, 2].

Ранее в работе [3] для квазилинейных уравнений и систем уравнений гиперболического типа предложены бикомпактные разностные схемы, имеющие на двухточечном шаблоне четвертый порядок аппроксимации по пространственной координате. Эти схемы являются абсолютно устойчивыми, консервативными и монотонными в области локальных чисел Куранта к > 1 [4]. Кроме того,

4

они являются экономичными и могут быть решены методом бегущего счета.

В настоящей работе для квазилинейных уравнений гиперболического типа предложена новая монотонная бикомпактная схема повышенного порядка аппроксимации, которая так же, как и схемы [3], является абсолютно устойчивой, консервативной и экономичной. Однако в сравнении с высокоточной схемой [3] имеются следующие преимущества. Во-первых, она несколько расширяет область монотонности схемы [3] в сторону меньших значений числа Куранта. Во-вторых, предлагаемая схема является более надежной при решении жестких задач, чем схема [3]. Если в схе-

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской Академии наук, Москва Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской обл.

ме [3] используется ^-устойчивая схема интегрирования по времени, то в новой схеме используется Х-устойчивая схема. Следует также отметить, что в монотонной компактной схеме данной работы не использованы искусственная вязкость (см., например, [5]) и какие-либо монотонизато-ры в виде ограничителей численных потоков (см., например, [6]). Приведены результаты расчетов, демонстрирующие точность предложенной схемы, ее консервативность и монотонность при решении тестовых задач для квазилинейного уравнения Хопфа.

1. БИКОМПАКТНАЯ СХЕМА ПЕРВОГО ПОРЯДКА АППРОКСИМАЦИИ ПО ВРЕМЕНИ

Сначала рассмотрим смешанную задачу Коши [7] для одного квазилинейного гиперболического уравнения, записанного в дивергентном виде:

Ut + f (u) = 0, a (u) = df(u) > 0,

x du (1)

u(x, 0) = u0(x), x > 0; u(0, t) = ц(0, t > 0. Разностную схему для начально-краевой задачи построим с помощью метода прямых и интегро-интерполяционного метода [8]. Для этого введем неравномерную сетку {x, j > 0} на интервале [0, да). На временном слое t = const проинтегрируем уравнение (1) на отрезке x, < x < xj +1, в результате получим дифференциальное по t и разностное по x уравнение

(uj+i)t =- f [+1 - fj ] fj = fj fli

(2)

"j+i

hj+i = Xj+i - Xj, j > 0, где u;+1 — интегральное среднее функции u(x, t) по ячейке [ху-, Xj+1]:

uj+i =

-M j}

udx.

(3)

В дальнейшем индекс при пространственном шаге h опущен.

Вычислим интегральное среднее от функции f(u) на отрезке Xj < x < Xj + 1

fj+i = h J f (u)dx

(4)

двумя различными способами с точностью до 0(к4): по формуле Симпсона [7]

7+1 = 6 (( + 4+1/2 + /) + 0(к\ (5)

7+1/2 = 7 (и]+1/2 ) и по формуле Эйлера—Маклорена [7]

7,1 = 7 + Л)-^'!- + 0(*4)- (6)

Из формулы (5) исключим значения искомой функции в полуцелых узлах с помощью формулы Симпсона для интегрального среднего (3)

и+1 =1 ((+1 + 4и;+1/2 + иу) + 0(к4), (7)

6

а из формулы (6) — значения производной/х в целых узлах сетки с помощью уравнения (1). Затем приравняем преобразованные выражения (5) и (6) друг другу. В результате получим дифференциальное по I и разностное по х уравнение

к +1- и), =

4

fj+i - 2f (2 uJ+i - 4 uJ+i - 4 uJ) + fj

J > 0, (8)

аппроксимациями, получим семейство бикомпактных разностных схем для численного решения уравнения (1). Например, если производные по времени на расчетном слое I = 1п + 1 аппроксимировать разностями назад, то получим разностную схему

+ r

Uj+i + r[f (uj+i) - f (uj)] = Uj+i, j > 0, 1 (uj+i - uj ) +

f (uj+i) - 2f (2uj+i - 4uj+i - 4uj) + f (uj)

i / n n\

=4 (uj+i- uj )•

(9)

(10)

выполняющееся с точностью до 0(к4) на точном решении уравнения (1).

Нетрудно видеть, что уравнение (8) есть разностный аналог дифференциального следствия уравнения (1)

(и, + /х) х = 0 которое так же, как и уравнение (1), имеет дивергентный вид.

Приведенные выше выкладки для скалярного уравнения (1) можно полностью повторить и в случае системы уравнений

и, + Г (и) х = 0

где и(х, I) — искомая вектор-функция с т компонентами, 1(и) — заданная вектор-функция размерности т. В результате можно получить системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), аналогичные (2), (8).

По терминологии работ [9, 10] дифференциально-разностная схема (2), (8) является бикомпактной (двухточечной компактной). Она может быть решена методом бегущего счета подобно схеме [3]. Кроме того, данная схема сохраняет порядок точности при переходе от равномерной сетки к неравномерной.

Введем неравномерную сетку {1п, п > 0} на интервале [0, да). Заменяя производные по времени в системе ОДУ (2), (8) какими-либо разностными

Здесь верхний индекс п + 1 при значениях сеточных функций на рассчитываемом слое I = 1п + 1

опущен; г = т, т = 1п + 1 — 1п — временной шаг. Схема к

(9), (10) есть неявная схема Эйлера, которая имеет первый порядок аппроксимации по времени и является Х-устойчивой [11], а следовательно, и абсолютно устойчивой. Если исключить из уравнения (10) значение +1 с помощью уравнения (9), то получаем схему бегущего счета для расчета искомой функции и в целых узлах.

2. МОНОТОННОСТЬ

Исследуем монотонность схемы (9), (10) сначала в случае, когда функцияf(u) является линейной:

f (u) = au, a = const > 0. (11)

Уравнения (9), (10) с учетом (11) примут следующий вид:

ku,-+i + u,+i - ku,- = uj+i, j > 0,

(12)

(3 K +1) uJ+i - 3kuj+i +

+ (3к-1)и;. = 1 (и;+1 - и;), ] > 0, (13)

где к = аг — число Куранта.

Анализ монотонности схемы (12), (13) проведем, следуя методике классической работы [12]. Полагая, что любую ограниченную монотонную сеточную функцию можно представить как линейную комбинацию простейших монотонных ступенчатых функций, рассмотрим свойство монотонности (по Годунову [12]) схемы (12), (13) на этих функциях.

Рассмотрим задачу (1) с монотонно убывающей начальной функцией, имеющей вид ступеньки,

u 0(x) = \

0 < x < i, [0, x > i и граничным условием

= 2, t > 0.

(14)

x

x

Для упрощения последующих выкладок положим, что пространственная сетка — равномерная.

Дифференциальная задача (1), (14), (15) с разрывным начальным условием аппроксимируется разностной схемой (12), (13) со следующими начальными и граничными условиями:

и

[2, 0 < ] < л,

0, У > 7о,-[2, 1 < У < Уо,

1, У = У о +1, .0, у > Уо +1,

и0 = 2, п > 0.

(16)

иу =

2, 0 < у < У0,

2Р1, У = Уо + 1,

Р2и)-1, У > Уо + 1,

2

Р1

К

2,1 , 1 ' к + -кн—

2 12

Р2

2 1,1

к —кн—

2 12

2,1 , 1 ' к + -кн—

2 12

(17)

2р2,

рз

р2иу--1, У > Уо + 2, 3_24

(18)

к 2 + 1 к + 1.

к2 + 1 к + -1'

2 12

которая также монотонно убывает при любом к > 0.

Условием монотонности решения на слое п = 1 является неравенство

1.-1.1 и У _1 > и У > и У,

которое с учетом формул (17), (18) приводит к ограничению на число Куранта

к>

(19)

Здесь х к = 1; значения сеточной функция и у

определяются по формуле (3) с и = и0(х). При этом интеграл в (3) рассчитывается либо аналитически, либо по квадратурной формуле точности 0(к5) или более высокой на разностных интервалах, где функция ы°(х) непрерывна. В разностных ячейках, где эта функция является разрывной, интеграл рассчитывается по квадратурной формуле трапеций.

На одном временном шаге разностные уравнения (12), (13) переведут монотонно убывающее

начальное условие и0 в сеточную функцию

Аналогичные выкладки для (12), (13) показывают, что эта разностная схема также переводит монотонно возрастающее начальное условие в форме элементарной ступенчатой функции в монотонно возрастающую сеточную функцию при выполнении условия (19). Численный анализ показал, что и при дальнейшей эволюции разностных решений, рассчитываемых по схеме (12), (13), их монотонность сохраняется.

Исследование монотонности схемы (9), (10) в случае произвольной нелинейной функции /(и) затруднительно, поэтому ограничимся анализом свойств монотонности схемы (9), (10) для уравне-

2

ния (1) с /(и) = —, т.е. для уравнения Хопфа [13]:

иI + а(и)их = 0, а(и) = и > 0.

(20)

В уравнении (20) величина а(и) является локальной скоростью переноса. Этой скорости соответствует локальное число Куранта к(и) = га(и). Заменяя нелинейное уравнение (20) линейным в приближении "замороженных коэффициентов", можно воспользоваться формулой (19) для оценки свойств монотонности схемы (9), (10) при решении уравнения (20). Для уточнения оценки (19) с к(и) = ги для нелинейного уравнения (20) были проведены численные эксперименты.

На рис. 1 показаны результаты расчета смешанной задачи Коши для уравнения (20) со следующими начальными и граничными условиями:

которая монотонно убывает при любом к > 0. В то же время й0 перейдет в сеточную функцию

2, 1 < У < Уо,

2рз, У = Уо + 1, У = Уо + ^

'(*) =

1, 0 < х < 1,

2 - х, 1 < х < 2 -5, |а (I) = 1, (21) 5, х > 2 - 5.

У > 1,

Точное решение этой задачи таково, что при I = 1 формируется разрыв, который затем движется с постоянной скоростью Б = 0.5(1 + 8) в положительном направлении оси х [13]. Расчеты проведены на сетке с отношением шагов г = 1. В каждый момент времени локальное число Куранта к(и) = ги изменяется от 8 до 1. Значения решений в целых узлах показаны на

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