ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #4 ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Σχετικά έγγραφα
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #5: ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Άσκηση 1 Έχουµε να επιλύσουµε την εξίσωση κύµατος 1 ης τάξης (υπερβολική εξίσωση) (1)

Υπολογιστικές Μέθοδοι

(συνθήκη συμμετρίας) (4) Το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να περιγράψει τη μεταβατική πλήρως ανεπτυγμένη ροή σε κυλινδρικό αγωγό.

w 1, z = 2 και r = 1

Κεφάλαιο 7. Επίλυση υπερβολικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Υπολογιστικές Μέθοδοι = 0.4 και R

Επίλυση παραβολικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Αριθμητική Ολοκλήρωση της Εξίσωσης Κίνησης

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ

f στον κόμβο i ενός πλέγματος ( i = 1, 2,,N

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

5. Ανάλυση διακριτής μορφής ΔΜΠ με ΠΔ

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Αριθμητική παραγώγιση εκφράσεις πεπερασμένων διαφορών

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

ΧΡΟΝΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ. Για την επίλυση χρονομεταβαλλόμενων προβλημάτων η διακριτοποίηση στο χώρο γίνεται με πεπερασμένα στοιχεία και είναι της μορφής:

Η πλήρως ανεπτυγµένη ροή λόγω διαφοράς πίεσης σε κυλινδρικό αγωγό περιγράφεται από την συνήθη διαφορική εξίσωση

z είναι οι τρεις ανεξάρτητες

Κεφ. 6Α: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις - προβλήματα δύο οριακών τιμών

πεπερασμένη ή Η αναλυτική λύση της διαφορικής εξίσωσης δίνεται με τη βοήθεια του Mathematica: DSolve u'' r 1 u' r 1, u 1 0, u' 0 0,u r,r

Κεφάλαιο 6. Εισαγωγή στη µέθοδο πεπερασµένων όγκων επίλυση ελλειπτικών και παραβολικών διαφορικών εξισώσεων

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σημειώσεις Μαθήματος

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

Αριθμητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστημάτων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 3: Περιγραφή αριθμητικών μεθόδων (συνέχεια)

Κεφ. 4: Ολοκλήρωση. 4.1 Εισαγωγή

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος. Η μόνιμη θερμοκρασιακή κατανομή σε δύο διαστάσεις περιγράφεται από την εξίσωση: και

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Παράδειγμα #2 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ. ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 7: Εξίσωση μη-μόνιμης διάχυσης (συνέχεια)

Υδραυλική των Υπόγειων Ροών

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ, ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΝ. Κεφ. 1: Εισαγωγή (διάρκεια: 0.5 εβδομάδες)

A Τελική Εξέταση του μαθήματος «Αριθμητική Ανάλυση» Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Μαθηματικών, Πανεπιστήμιο Αιγαίου

y 1 και με οριακές συνθήκες w

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 8: Ανάλυση ευστάθειας & Συναγωγή και διάχυση

Κυκλώματα, Σήματα και Συστήματα

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Κεφάλαιο 1. Αριθµητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστηµάτων

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Παράδειγμα #9 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΕΣ ΣΔΕ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

KΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΣΥΝΗΘΩΝ. Το τυπικό πρόβληµα αρχικών τιµών που θα µας απασχολήσει, είναι το ακόλουθο:

Εκμετάλλευση και Προστασία των Υπόγειων Υδατικών Πόρων

Πίνακας Περιεχομένων 7

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ MATLAB ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΚΔΟΣΗ [ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΚΑΙ ΕΠΑΥΞΗΜΕΝΗ]

Η διατήρηση μάζας σε ένα σύστημα τριών αντιδραστήρων περιγράφεται από το παρακάτω σύστημα συνήθων διαφορικών εξισώσεων:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 2: Περιγραφή αριθμητικών μεθόδων

Λύσεις ασκήσεων Άσκηση 1: Cengel and Ghajar, Κεφάλαιο 13: Προβλήματα και

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

Δρ. Σταύρος Καραθανάσης

Κεφ. 7: Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

2.1 Αριθμητική επίλυση εξισώσεων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 9: Συναγωγή και διάχυση (συνέχεια)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 10: Συναγωγή και διάχυση (συνέχεια)

3. ΕΠΙΛΥΣΗ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΩN ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων για την εξίσωση της θερμότητας

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #1: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟ ΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ.

την κεντρώα έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης και για τη παράγωγο f την ανάδρομη έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης xxx

Κεφ. 5: Ολοκλήρωση. 5.1 Εισαγωγή

Θα χρησιμοποιήσουμε κύλινδρο με L=R για απλοποίηση (και Δr=Δz).

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 6: Εξίσωση διάχυσης (συνέχεια)

Παράδειγµα #11 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ Σ Ε ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

x από το κεντρικό σημείο i: Ξεκινάμε από το ανάπτυγμα Taylor στην x κατεύθυνση για απόσταση i j. Υπολογίζουμε το άθροισμα:

Εφαρµόζοντας τη µέθοδο αριθµητικής ολοκλήρωσης Euler και Runge-Kutta 2 ης, συστηµατική σύγκριση των πέντε µεθόδων. Η επιλογή των σταθερών

Κεφάλαιο 8: Μέθοδοι Χρονικής Ολοκλήρωσης

Διαφορικές εξισώσεις 302.

Διάλεξη 11: Ανώτερης τάξης σχήματα στη μόνιμη συναγωγή

Επιλύστε αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών: ( )

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 14 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #1: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΡΕΥΣΤΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΩΝ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

Αριθμητικές μέθοδοι σε ταλαντώσεις μηχανολογικών συστημάτων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Matrix Algorithms. Παρουσίαση στα πλαίσια του μαθήματος «Παράλληλοι. Αλγόριθμοι» Γ. Καούρη Β. Μήτσου

Γεώργιος Ακρίβης. Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

IV.13 ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ 1 ης ΤΑΞΕΩΣ

MEM 253. Αριθμητική Λύση ΜΔΕ * * *

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ. Βαλουγεώργης Απαντήσεις: ΠΡΟΟΔΟΣ 1, Επιμέλεια λύσεων: Γιώργος Τάτσιος

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σημειώσεις Μαθήματος. Διάλεξη 10: Ολοκλήρωση Συνήθων Διαφορικών Εξισώσεων: Προβλήματα Συνοριακών Τιμών Μίας Διάστασης (1D)

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

6. Αριθμητική επίλυση συνήθων διαφορικών

Παράδειγμα #5 EΠΙΛΥΣΗ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΑΛΓΕΒΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ NEWTON ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης. ( k ) ( k)

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών σε Συνήθεις. Διαφορικές Εξισώσεις με Σταθερούς Συντελεστές

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 4: Εξίσωση διάχυσης

Ενότητα 6. Προγραμματισμός με Εφαρμογές στην Επιστήμη του Μηχανικού. Σιέττος Κωνσταντίνος

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κεφ. 5: Ολοκλήρωση. 5.1 Εισαγωγή

Παρουσίαση 3ης Άσκησης

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι Ασκήσεις Πράξης

Παράδειγμα #10 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΕΣ ΜΔΕ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Transcript:

ΑΣΚΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 009-00, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ # ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: 5..00 ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ. Βαλουγεώργης Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος Να επιλυθεί η εξίσωση κύματος ης τάξης u t + cu = 0 με αρχική συνθήκη u(, 0) = si( π), 0 και περιοδικές οριακές συνθήκες με μία από τις παρακάτω τεχνικές πεπερασμένων διαφορών. Να βρεθεί η αντίστοιχη τροποποιημένη εξίσωση. Να σχολιασθούν η αριθμητική διάχυση και διασπορά του σχήματος. Επίσης, να βρεθεί το κριτήριο ευστάθειας και να υπολογισθούν οι συντελεστές ενίσχυσης και διαφορά φάσης. Να γίνουν τα αντίστοιχα διαγράμματα.. Πεπλεγμένη Euler. McCormack 3. La Wedroff.. Πεπλεγμένη τραπεζοειδής Λύση Εφαρμόζοντας τη μέθοδο των χαρακτηριστικών η αναλυτική λύση είναι: ut (, ) = si( π ( ct)) Το ίδιο πρόβλημα επιλύεται αριθμητικά με πέντε αριθμητικά σχήματα. Σε όλες τις περιπτώσεις η βασική παράμετρος είναι ο αριθμός CFL: v= cδt/ Δ, όπου Δt και Δ είναι το χρονικό και χωρικό βήμα διακριτοποίησης αντίστοιχα. Μέθοδος : Πρόδρομη στο χρόνο ανάδρομη στο χώρο (Ρητό σχήμα) ( ) ( ), u = u v u u, i =,..., N + i i i i u + = u v u u N i = Μέθοδος : ΜcCormack (Ρητό σχήμα) Το σχήμα αυτό αποτελείται από εξισώσεις: (και διόρθωση): / ui = ui v ui+ ui, i =,..., N / / / Διόρθωση: ui = ui + ui v( ui ui ), i =,..., N / i = : ( u u v u u ) και u = u + u v u u N / i = N + : un+ = un+ v( u un ) και un+ = un+ + un+ v un+ un Πρόβλεψη: ( ) = + + / / / ( + + ) / / / + ( )

Μέθοδος 3: Πεπλεγμένη Euler v v ui+ + ui ui = ui, i =,..., N v v i = : u + u un = u v v i = N + : u + un+ un = un + Λόγω των περιοδικών συνθηκών το σύστημα δεν είναι τριδιαγώνιο. Επομένως, για την επίλυσή του εφαρμόζουμε την επαναληπτική μέθοδο Gauss-Seidel. Γράφουμε το σύστημα στη μορφή: ( k) v ( k ) v ( k) ui = ui ui+ + ui, i =,..., N ( k) v ( k ) v ( ) u = u u + u k N ( k) v ( k) v ( ) un+ = un+ u + u k N, όπου με ( k), k =,,... δηλώνουμε την k -επανάληψη της Gauss-Seidel Μέθοδος : Πεπλεγμένη Τραπεζοειδής v u ( ),,..., i = ui ui+ + ui+ ui ui i = N v i = : u = u ( u + u un un) v i = N + : un+ = un+ ( u + u u N u N) Για την επίλυση του συστήματος εφαρμόζουμε την επαναληπτική μέθοδο Gauss- Seidel. Γράφουμε το σύστημα στη μορφή: ( + + ) ( N N) v k k ( N ) ( k) v ( k ) ( k) ui = ui ui + ui ui ui, i =,..., N ( k) v ( k ) ( k ) u = u u + u u u ( k) ( ) ( ) N+ N+ N u = u u + u u u

Μέθοδος 5: La-Wedroff (Ρητό σχήμα) v v ui = ui ( ui+ ui ) + ( ui+ ui + ui ), i =,..., N v v i = : u + = u ( u un) + ( u u + un) v v i = N + : un+ = un+ ( u un) + ( u un+ + un) Το ακόλουθο πρόγραμμα επιλύει το πρόβλημα αρχικών τιμών και με τις 5 μεθόδους: program ftbs_mac_cormack implicit oe! Variables real,allocatable:: u(:),uold(:),uprev(:),(:),u0(:), t(:,:), t(:,:), t3(:,:), t(:,:),t5(:,:) =00 real::v, d, dt, c, pi, t,ma,err iteger::i,, tma, m, doe, method character()::um tma=0 allocate(u(), uold(),uprev(), (), u0(), t(,tma),t(,tma),t3(,tma),t(,tma),t5(,tma)) c=0.8 dt=0.0 d=./ v=c*dt/d pi=3.5965 do i=, (i)=(i-)*d ope(,file='res_all.tt',recl=0000) write(,'(a3,i)') 'I= ', write(,'(a3,f8.5)') 'c= ',c write(,'(a3,f8.5)') 'dt= ',dt write(,'(a3,f8.5)') 'd= ',d write(,'(a3,f8.5)') 'i= ',v tma=0 do method=,5!=ftbs = Mac Cormack 3=peplegmeh Euler =Peplegmeh trapezoeidhs 5=La-Wedroff if (method==) the do i=, u(i)=si(*pi*(i)) do m=,tma uold=u do i=, if(i==)the u(i)=uold(i)*(.-v)+v*uold() else u(i)=uold(i)*(.-v)+v*uold(i-) edif t(:,m)=u elseif (method==)the 3

do i=, u(i)=si(*pi*(i)) do m=,tma uold=u do i=, if(i==)the u0(i)=uold(i)-v*(uold()-uold(i)) else u0(i)=uold(i)-v*(uold(i+)-uold(i)) edif do i=, if(i==)the u(i)=0.5*(uold(i)+u0(i)-v*(u0(i)-u0())) else u(i)=0.5*(uold(i)+u0(i)-v*(u0(i)-u0(i-))) edif t(:,m)=u elseif (method==3)the err=0.0000 do i=, u(i)=si(*pi*(i)) doe=0 do m=,tma uold=u!gauss-seidel do while (doe==0) uprev=u u()=uold()+(v/.)*u()-(v/.)*u() do i=, u(i)=uold(i)+(v/.)*u(i-)-(v/.)*u(i+) u()=uold()+(v/.)*u()-(v/.)*u()! prit*, uold(),uold(),u(),u()!read* ma=maval(abs(u-uprev))!prit*,m,ma if(ma<err) the doe= edif!gauss-seidel t3(:,m)=u elseif (method==)the err=0.0000 do i=, u(i)=si(*pi*(i)) do m=,tma!gauss-seidel uold=u doe=0 do while (doe==0) uprev=u u()=uold()-(v/.)*(u()+uold()-u()-uold()) do i=, u(i)=uold(i)-(v/.)*(u(i+)+uold(i+)-u(i-)-uold(i-))

u()=uold()-(v/.)*(u()+uold()-u()-uold()) ma=maval(abs(u(:)-uprev(:))) prit*,m,ma if(ma<err) the doe= edif!gauss-seidel t(:,m)=u ed do elseif (method==5) the do i=, u(i)=si(*pi*(i)) do m=,tma uold=u u()=uold()-c*dt*(uold()- uold())/(.*d)+(0.5*c***dt**/d**)*(uold()-.*uold()+uold()) do i=, u(i)=uold(i)-c*dt*(uold(i+)-uold(i- ))/(.*d)+(0.5*c***dt**/d**)*(uold(i+)-.*uold(i)+uold(i-)) u()=uold()-c*dt*(uold()- uold())/(.*d)+(0.5*c***dt**/d**)*(uold()-.*uold()+uold()) t5(:,m)=u edif!method do m=,tma t=m*dt write(,*) '------------------------------T=',t,'---------------------------' write(,*) 'i FTBS McCormack Peplegmeh_euler Trapezoeidhs La-Wedroff Aalytikh' do i=, if (mod(i,0)/=) cycle write(,'(i3,f0.,6f5.5)') i,(i),t(i,m),t(i,m),t3(i,m),t(i,m),t5(i,m),si(*pi*((i)-c*t)) write(um,'(i)') m ope(3,file="for_mathematica_t_m"//trim(adjustl(um))//".tt") do i=, write(3,'(3f5.5)') t,(i),t(i,m) close(3)!m prit*, 'Doe' ed program ftbs_mac_cormack Ακολουθεί πίνακας αποτελεσμάτων για 0 χρονικά βήματα με c = 0.8, Δ t = 0.0 και Δ = 00 : Πεπλεγμένη Πεπλεγμένη La Αναλυτική t i FTBS McCormack Euler ΤραπεζοειδήςWedroff Λύση 0.0 0-0.0503-0.0503-0.050-0.050-0.0503-0.050 0. 0.56 0.56 0.5577 0.563 0.56 0.5639 0. 0.9303 0.9333 0.9338 0.933 0.9333 0.9333 3 0.3 0.96508 0.96538 0.96 0.96537 0.96538 0.96538 0. 0.675 0.6768 0.668 0.6766 0.6768 0.6769 5 0.5 0.0503 0.0503 0.050 0.050 0.0503 0.050 5

0.0 0.03 0.0 0.05 6 0.6-0.56-0.56-0.5577-0.563-0.56-0.5639 7 0.7-0.9303-0.9333-0.9338-0.933-0.9333-0.9333 8 0.8-0.96508-0.96538-0.96-0.96537-0.96538-0.96538 9 0.9-0.675-0.6768-0.668-0.6766-0.6768-0.6769 0-0.0503-0.0503-0.050-0.050-0.0503-0.050 0-0.003-0.003-0.09996-0.007-0.003-0.0036 0. 0.5033 0.5036 0.509 0.5037 0.5036 0.5036 0. 0.966 0.955 0.93 0.958 0.955 0.95 3 0.3 0.97665 0.9776 0.9777 0.9775 0.9776 0.9777 0. 0.6656 0.66599 0.66 0.66595 0.66599 0.6660 5 0.5 0.003 0.003 0.09995 0.007 0.003 0.0036 6 0.6-0.5033-0.5036-0.509-0.5037-0.5036-0.5036 7 0.7-0.966-0.955-0.93-0.958-0.955-0.95 8 0.8-0.97665-0.9776-0.9777-0.9775-0.9776-0.9777 9 0.9-0.6656-0.66599-0.66-0.66595-0.66599-0.6660 0-0.003-0.003-0.09996-0.008-0.003-0.0036 0-0.50-0.509-0.93-0.50-0.509-0.503 0. 0.593 0.596 0.5805 0.597 0.596 0.5958 0. 0.8999 0.89386 0.89057 0.8939 0.89386 0.8938 3 0.3 0.98575 0.98668 0.989 0.98666 0.98668 0.98669 0. 0.7099 0.706 0.69983 0.7055 0.706 0.7065 5 0.5 0.50 0.509 0.93 0.5009 0.509 0.503 6 0.6-0.593-0.596-0.5805-0.597-0.596-0.5958 7 0.7-0.8999-0.89386-0.89057-0.8939-0.89386-0.8938 8 0.8-0.98575-0.98668-0.989-0.98666-0.98668-0.98669 9 0.9-0.7099-0.706-0.69983-0.7055-0.706-0.7065 0-0.50-0.509-0.9-0.50-0.509-0.503 0-0.997-0.9966-0.98-0.995-0.9966-0.997 0. 0.38 0. 0.57 0.5 0. 0.38 0. 0.86908 0.870 0.86596 0.8707 0.870 0.8708 3 0.3 0.9936 0.9936 0.98858 0.99359 0.9936 0.9936 0. 0.73659 0.7378 0.73359 0.73739 0.7378 0.7375 5 0.5 0.997 0.9966 0.98 0.995 0.9966 0.997 6 0.6-0.38-0. -0.57-0.5-0. -0.38 7 0.7-0.86908-0.870-0.86596-0.8707-0.870-0.8708 8 0.8-0.9936-0.9936-0.98858-0.99359-0.9936-0.9936 9 0.9-0.73659-0.7378-0.7336-0.73739-0.7378-0.7375 0-0.997-0.9966-0.98-0.995-0.9966-0.997 0-0.83-0.863-0.676-0.88-0.863-0.869 0. 0.36753 0.3688 0.3667 0.36833 0.3688 0.368 0. 0.899 0.836 0.8393 0.85 0.836 0.833 3 0.3 0.9965 0.9980 0.9973 0.9980 0.9980 0.99803 0. 0.7693 0.7707 0.765 0.77037 0.7707 0.7705 5 0.5 0.83 0.863 0.675 0.87 0.863 0.869 6 0.6-0.36753-0.3688-0.3667-0.36833-0.3688-0.368 7 0.7-0.899-0.836-0.8393-0.85-0.836-0.833 8 0.8-0.9965-0.9980-0.9973-0.9980-0.9980-0.99803 9 0.9-0.7693-0.7707-0.7653-0.77037-0.7707-0.7705 0-0.83-0.863-0.678-0.88-0.863-0.869 0.06 0-0.965-0.9697-0.937-0.9679-0.9697-0.970 6

0.07 0.08 0.09 0.0 0. 0.303 0.30 0.3896 0.39 0.30 0.309 0. 0.878 0.8638 0.805 0.869 0.8638 0.863 3 0.3 0.99803 0.9999 0.9938 0.9999 0.9999 0.9999 0. 0.80006 0.805 0.7955 0.80 0.805 0.8057 5 0.5 0.965 0.9697 0.936 0.9679 0.9697 0.970 6 0.6-0.303-0.30-0.3896-0.3-0.30-0.309 7 0.7-0.878-0.8638-0.805-0.869-0.8638-0.863 8 0.8-0.99803-0.9999-0.9938-0.9999-0.9999-0.9999 9 0.9-0.80006-0.805-0.7955-0.80-0.805-0.8057 0-0.965-0.9697-0.939-0.9679-0.9697-0.970 0-0.339-0.356-0.3-0.335-0.356-0.36 0. 0.73 0.7303 0.707 0.735 0.7303 0.795 0. 0.7853 0.7863 0.7797 0.7868 0.7863 0.7869 3 0.3 0.99708 0.9999 0.9905 0.9993 0.9999 0.9999 0. 0.8878 0.83055 0.899 0.830 0.83055 0.8306 5 0.5 0.339 0.356 0.3 0.335 0.356 0.36 6 0.6-0.73-0.7303-0.707-0.735-0.7303-0.795 7 0.7-0.7853-0.7863-0.7797-0.7868-0.7863-0.7869 8 0.8-0.99708-0.9999-0.9905-0.9993-0.9999-0.9999 9 0.9-0.8878-0.83055-0.83-0.830-0.83055-0.8306 0-0.339-0.356-0.3-0.336-0.356-0.36 0-0.390-0.398-0.38689-0.3905-0.398-0.3937 0. 0.367 0.36 0.6 0.6 0.36 0.7 0. 0.7533 0.753 0.7708 0.758 0.753 0.755 3 0.3 0.9936 0.996 0.9869 0.9966 0.996 0.9963 0. 0.85538 0.8577 0.886 0.8573 0.8577 0.85753 5 0.5 0.390 0.398 0.38688 0.3905 0.398 0.3937 6 0.6-0.367-0.36-0.6-0.6-0.36-0.7 7 0.7-0.7533-0.753-0.7708-0.758-0.753-0.755 8 0.8-0.9936-0.996-0.9869-0.9966-0.996-0.9963 9 0.9-0.85538-0.8577-0.886-0.8573-0.8577-0.85753 0-0.390-0.398-0.3869-0.3906-0.398-0.3937 0-0.359-0.370-0.357-0.3676-0.370-0.37 0. 0.79 0.753 0.7373 0.75 0.753 0.750 0. 0.78 0.7038 0.766 0.7058 0.7038 0.703 3 0.3 0.98765 0.9907 0.97938 0.9905 0.9907 0.9906 0. 0.8798 0.88 0.870 0.88 0.88 0.889 5 0.5 0.359 0.370 0.356 0.3676 0.370 0.37 6 0.6-0.79-0.753-0.7373-0.75-0.753-0.750 7 0.7-0.78-0.7038-0.766-0.7058-0.7038-0.703 8 0.8-0.98765-0.9907-0.97938-0.9905-0.9907-0.9906 9 0.9-0.8798-0.88-0.870-0.88-0.88-0.889 0-0.359-0.370-0.36-0.3677-0.370-0.37 0-0.807-0.865-0.7506-0.837-0.865-0.875 0. 0.9 0.55 0.5 0.577 0.55 0.533 0. 0.6836 0.6863 0.67653 0.6887 0.6863 0.6855 3 0.3 0.9798 0.983 0.970 0.9837 0.983 0.989 0. 0.9099 0.9077 0.8936 0.906 0.9077 0.9083 5 0.5 0.807 0.865 0.750 0.836 0.865 0.875 6 0.6-0.9-0.55-0.5-0.577-0.55-0.533 7

7 0.7-0.6836-0.6863-0.67653-0.6887-0.6863-0.6855 8 0.8-0.9798-0.983-0.970-0.9837-0.983-0.989 9 0.9-0.9099-0.9077-0.8936-0.906-0.9077-0.9083 0-0.807-0.865-0.7509-0.837-0.865-0.875 Η γραφική εξέλιξη της λύσης δίνεται στο ακόλουθο σχήμα:.0 0.5 0.00 t 0.05 0.0.0 0.5 0.0 y 0.0 y -0.5 -.0 0.00.0-0.5 -.0.0 0.05 t 0.5 0.0 0.5 0.0 0.0 Σχήμα : Εξέλιξη κύματος σε 0 χρονικά βήματα Το Σχήμα δημιουργήθηκε με Mathematica χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εντολές: Do[yData =ReadList["for_mathematica_t_m"<>ToStrig[]<>".tt",{Numb er,number,number}];g =ListPoitPlot3D[yData ],{,,0}]; t=table[g,{,,0}]; Show[t,PlotRage{{0,0.},Automatic,Automatic},AesLabel{"t","","y "}] Στη συνέχεια θα μελετηθεί η ευστάθεια και η συνοχή της μεθόδου Πεπλεγμένη Euler: Ευστάθεια: u =Ψ e k με a = a i ak ak ak ( +Δ ) ak ( ) Ψ e Ψ e + v( Ψ e Ψ e ) = 0 akδ ak Ψ Ψ + vψ e vψ e = 0 akδ ak Ψ + vψ e vψ e =Ψ Ψ ξ = = Ψ v ak ak ( e Δ e Δ + ) ak ak e e = [ cos( kδ ) + asi( k) ] [ cos( k) asi( kδ ) ] = asi( kδ ) avsiβ ξ = = + avsi( kδ ) + v si β Συντελεστής ενίσχυσης: avsi β avsiβ + v si β + v si ξ = = = = + v si β + v si β + v si β + si ( v β ) β 8

ξ = + v si β Επομένως, η μέθοδος είναι ευσταθής για κάθε τιμή του αριθμού CFL Γωνία φάσης: vsi β Im( ) Im( ) + si ϕ = Arcta = Arcta = Arcta Re( ξ) Re( ξ) + v si β ϕ = ta ( vsi β ) ξ ξ v β Συνοχή: Αναπτύσσοντας όλες τις ποσότητες της ΕΠΔ σε σειρά Taylor γύρω από τον κόμβο έχουμε: u i 3 Δt Δt ui = ui +Δ tut + utt + uttt + O[ Δ t ]! 3! 3 ui± = ui + ±Δ + Δ t u+ ±Δ + Δ t u+ ±Δ + Δt u t! t 3! t ui± = ui ±Δ u +Δ tut + ( Δ u ± Δ tut +Δ t utt) +! 3 3 + ( ±Δ u + 3Δ tut ± 3 Δ t utt +Δ tuttt ) + O[, Δt ] 3! Για να διευκολυνθούμε στις πράξεις αρχικά υπολογίζουμε τη διαφορά u u = i+ i 3 3 = ui +Δ u +Δ tut + ( Δ u + Δ tut +Δ t utt ) + ( +Δ u + 3 Δ tut + 3Δ t utt +Δt uttt )! 3! 3 3 ui +u Δtut ( u Δ tut +Δt utt ) ( Δ u + 3 Δtut 3Δ t utt +Δ t uttt ) =! 3! 3 6 Δ u + Δ tut + Δ u + Δt utt 3! 3! Αντικαθιστούμε τα αναπτύγματα και την διαφορά στην ΕΠΔ: v ui ui + ( ui+ ui ) = 0 3 Δt Δt v 3 6 Δ tut + utt + uttt + Δ u + Δ tut + Δ u + Δ t utt = 0! 3! 3! 3! Δt Δt c 3 6 ut + utt + uttt + Δ u + Δ tut + Δ u + Δ t utt = 0! 3! 3! 3! Δt Δt c 3c ut + cu = utt uttt cδtut u Δ t utt (ΤΔΕ)! 3! 3! 3! 9

Η παραπάνω εξίσωση αποτελεί μία πρώτη μορφή της τροποποιημένης διαφορικής εξίσωσης που αποδεικνύει ότι το πεπλεγμένο σχήμα Euler έχει συνοχή. Περαιτέρω επεξεργασία της ΤΔΕ οδηγεί σε περισσότερες πληροφορίες για το αριθμητικό σχήμα. Παραγωγίζοντας την παραπάνω εξίσωση διαδοχικά ως προς t και ως προς και κρατώντας όρους πρώτης τάξης βρίσκουμε τις διαφορικές εξισώσεις Δt Δt utt + cut = uttt cδ tutt και ut + cu = utt cδ tut Από τις οποίες με κατάλληλη επεξεργασία προκύπτει η διαφορική εξίσωση για τη η παράγωγο ως προς το χρόνο t t utt c u Δ Δ = uttt cδ tutt + c utt + c Δ tut Στη συνέχεια οι παράγωγοι ως προς t και οι μικτές παράγωγοι αντικαθίστανται με παραγώγους ως προς με βάση τις παρακάτω σχέσεις: u = u = u = u = cu = cu ( ) ( ) t t t t 3 ttt = tt = = t = = ( ) ( ) ( ) t t ( ) u u c u c u c cu c u u = u = cu = cu tt tt Αντικαθιστώντας τις παραπάνω εξισώσεις στην διαφορική εξίσωση για τη η παράγωγο ως προς το χρόνο προκύπτει t 3 3 3 t 3 3 utt cu Δ Δ = + cu Δ tcu + c u cδ tu = cu Δ tcu Τέλος, αντικαθιστώντας τη παραπάνω έκφραση και τις άλλες απαραίτητες ποσότητες στην ΤΔΕ καταλήγουμε στην τελική μορφή της τροποποιημένης διαφορικής εξίσωσης του σχήματος: Δt 3 Δt 3 Δt ut + cu =! c u c Δ tu + c u cδt c u cu 3! c 3 3 u Δtcu 3! 3! Δt 3 Δt 3 Δt 3 Δt c 3 Δt ut + cu = c + c Δ t u + c + c c c u 6 6 3 c ut + cu = c Δtu cδ + c Δ t u = c Δtu ( + ν ) u 6 3 6 Από την ΤΔΕ είναι προφανές ότι το σχήμα έχει συνοχή διότι για Δt 0, 0 η ΤΔΕ καταλήγει στην εξίσωση κύματος ης τάξης. Όμως γίνεται επίσης προφανές ότι ανεξάρτητα από την τιμή του αριθμού CFL, δηλαδή ανεξάρτητα της διακριτοποίησης που επιλέγεται το σχήμα έχει πάντα αριθμητικά απόσβεση και αριθμητική διασπορά αφού οι συντελεστές των παραγώγων u και u δεν μηδενίζονται. Πρόκειται λοιπόν για σχήμα που είναι πάντα ευσταθές αλλά που παράλληλα παρουσιάζει μεγάλη αριθμητική διάχυση (απόσβεση και διασπορά) και επομένως δεν διαθέτει καλή συνοχή. 0

ΑΣΚΗΣΗ Να λυθεί αριθμητικά η γραμμική εξίσωση u u u + c = μ, 0 L t > 0 c > 0 t με αρχική συνθήκη u(,0) = si( k) και περιοδικές οριακές συνθήκες εφαρμόζοντας το σχήμα πεπερασμένων διαφορών uj j uj j uj+ uj + uj + c = μ. Δt Να βρεθεί η τροποποιημένη εξίσωση και το κριτήριο ευστάθειας. Βοήθημα: Η αναλυτική λύση είναι u(, t) = ep( k μt) si k( ct) Λύση ΕΠΔ: ui+ ui + ui ui ui ui = μδ t + u i cδt μδt μδt μδt ui = + v u i + + v u i + ui, + i =,..., N μδt μδt μδt i = : u = + v u N + + v u + u μδt μδt μδt i = N + : un+ = + v u N + + v u N + u + Πρόγραμμα Fortra program rhto implicit oe! Variables real,allocatable:: u(:),uold(:), (:),t(:) real::v, d, dt, c, pi, t,ma,err,mi,k,coef iteger::i,, tma, m! Body of ftbs_mac_cormack =0 allocate(u(), uold(),(),t()) c=0.8 mi=. k=. dt=0.0 tma=0 pi=3.5965 d=*pi/ v=c*dt/d

do i=, (i)=(i-)*d ope(,file='res_ask.tt',recl=0000) write(,'(a3,i)') 'I= ', write(,'(a3,f8.5)') 'c= ',c write(,'(a3,f8.5)') 'dt= ',dt write(,'(a3,f8.5)') 'd= ',d write(,'(a3,f8.5)') 'i= ',v do i=, u(i)=si(k*(i)) u()=u() coef=(mi*dt)/d** do m=,tma t=m*dt uold=u u()=coef*(uold()-*uold()+uold())+uold()-v*(uold()- uold()) do i=, u(i)=coef*(uold(i+)-*uold(i)+uold(i-))+uold(i)- v*(uold(i)-uold(i-)) u()=u() write(,*) '------------------------------N=',m,'--t=',m*dt,'-----' write(,*) 'i FTBS Aalytikh Abs_Sfalma' do i=,!if (mod(i,0)/=) cycle write(,'(i3,f0.,3(f5.5))') i,(i),u(i),ep(-k*mi*t)*si(k*((i)- c*t)),abs(u(i)-ep(-k*mi*t)*si(k*((i)-c*t))) ed do!tma prit*, 'Doe' ed program rhto Αποτελέσματα για 0 χρονικά βήματα θέτοντας k =, L = π, c = 0.8, μ =, N = 0, Δ = π /0 και Δ t = 0.0: t i 0.0 Αριθμητική Λύση Αναλυτική Λύση Απόλυτο Σφάλμα 0-0.0078-0.0079 0.000 0.63 0.576 0.5755 0.0009 3.6 0.9373 0.939 0.0089.88 0.985 0.90 0.006 5.5 0.5867 0.58833 0.006 6 3. 0.0078 0.0079 0.000 7 3.77-0.576-0.5755 0.0009 8. -0.9373-0.939 0.0089 9 5.03-0.985-0.90 0.006 0 5.65-0.5867-0.58833 0.006 6.8-0.0078-0.0079 0.000

0.0 0.03 0.0 0.05 0.06 0-0.079-0.0568 0.0009 0.63 0.566 0.56339 0.007 3.6 0.935 0.976 0.0037.88 0.9368 0.93695 0.007 5.5 0.58557 0.58876 0.0039 6 3. 0.079 0.0568 0.0009 7 3.77-0.566-0.56339 0.007 8. -0.935-0.976 0.0037 9 5.03-0.9368-0.93695 0.007 0 5.65-0.58557-0.58876 0.0039 6.8-0.079-0.0568 0.0009 0-0.09-0.039 0.0038 0.63 0.5887 0.55 0.005 3.6 0.9 0.959 0.0059.88 0.935 0.9988 0.0063 5.5 0.583 0.58909 0.0077 6 3. 0.09 0.039 0.0038 7 3.77-0.5887-0.55 0.005 8. -0.9-0.959 0.0059 9 5.03-0.935-0.9988 0.0063 0 5.65-0.583-0.58909 0.0077 6.8-0.09-0.039 0.0038 0-0.0886-0.0307 0.0088 0.63 0.5369 0.53958 0.0039 3.6 0.8966 0.9038 0.007.88 0.93 0.98 0.00836 5.5 0.5899 0.5893 0.00633 6 3. 0.0886 0.0307 0.0088 7 3.77-0.5369-0.53958 0.0039 8. -0.8966-0.9038 0.007 9 5.03-0.93-0.98 0.00836 0 5.65-0.5899-0.5893 0.00633 6.8-0.0886-0.0307 0.0088 0-0.0356-0.0380 0.00 0.63 0.539 0.579 0.00399 3.6 0.8833 0.899 0.00886.88 0.90536 0.957 0.003 5.5 0.5857 0.5895 0.00788 6 3. 0.0356 0.0380 0.00 7 3.77-0.539-0.579 0.00399 8. -0.8833-0.899 0.00886 9 5.03-0.90536-0.957 0.003 0 5.65-0.5857-0.5895 0.00788 6.8-0.0356-0.0380 0.00 0-0.0-0.059 0.0095 0.63 0.57 0.5636 0.0065 3.6 0.870 0.88068 0.006.88 0.8963 0.9086 0.08 5.5 0.58006 0.5897 0.009 6 3. 0.0 0.059 0.0095 7 3.77-0.57-0.5636 0.0065 8. -0.870-0.88068 0.006 3

0.07 0.08 0.09 0.0 9 5.03-0.8963-0.9086 0.08 0 5.65-0.58006-0.5897 0.009 6.8-0.0-0.059 0.0095 0-0.0868-0.059 0.0035 0.63 0.997 0.5097 0.0056 3.6 0.8573 0.869 0.00.88 0.8873 0.905 0.08 5.5 0.5788 0.589 0.0093 6 3. 0.0868 0.059 0.0035 7 3.77-0.997-0.5097 0.0056 8. -0.8573-0.869 0.00 9 5.03-0.8873-0.905 0.08 0 5.65-0.5788-0.589 0.0093 6.8-0.0868-0.059 0.0035 0-0.0596-0.0590 0.0008 0.63 0.8789 0.937 0.00583 3.6 0.838 0.85789 0.035.88 0.87835 0.8938 0.060 5.5 0.5768 0.5895 0.03 6 3. 0.0596 0.0590 0.0008 7 3.77-0.8789-0.937 0.00583 8. -0.838-0.85789 0.035 9 5.03-0.87835-0.8938 0.060 0 5.65-0.5768-0.5895 0.03 6.8-0.0596-0.0590 0.0008 0-0.0607-0.06575 0.0068 0.63 0.766 0.86 0.00635 3.6 0.8367 0.8663 0.096.88 0.869 0.8876 0.0785 5.5 0.57507 0.58899 0.039 6 3. 0.0607 0.06575 0.0068 7 3.77-0.766-0.86 0.00635 8. -0.8367-0.8663 0.096 9 5.03-0.869-0.8876 0.0785 0 5.65-0.57507-0.58899 0.039 6.8-0.0607-0.06575 0.0068 0-0.0670-0.073 0.0059 0.63 0.68 0.765 0.0068 3.6 0.89 0.8355 0.0635.88 0.8605 0.880 0.096 5.5 0.5736 0.58865 0.0539 6 3. 0.0670 0.073 0.0059 7 3.77-0.68-0.765 0.0068 8. -0.89-0.8355 0.0635 9 5.03-0.8605-0.880 0.096 0 5.65-0.5736-0.58865 0.0539 6.8-0.0670-0.073 0.0059

Ευστάθεια: u =Ψ e k με a = a i μδt cδt μ v Επίσης, στην ΕΠΔ θέτουμε = = c ReΔ αριθμός Reyolds., όπου Re είναι ο αριθμητικός v v v Ψ e = + v Ψ e + + v Ψ e + Ψ e Re ReΔ Re ak ak ( ) ak ak ( +) v v v v e v e Re Re ReΔ Ψ v ak v v ak ξ = = v e v e + + + Ψ Re ReΔ ReΔ ak ak Ψ = + Ψ + + Ψ + Ψ v v v ξ = + v β a β + v+ β + a β Re Re ReΔ ( cos si ) ( cos si ) v v v v v ξ = + v cos β a + v si β + v+ cos β + a si β Re Re Re Re ReΔ v v v v v ξ = + v cos β + v+ cos β + α + v si β + si β Re Re ReΔ Re ReΔ v v ξ = vcos β + v+ cos β + αvsi β Re Re Επομένως για να έχει το σχήμα ευστάθεια θα πρέπει να ισχύει: ξ v v v cosβ v v si ReΔ ReΔ < + + + < β Συνοχή: 3 Δt Δt ui = ui +Δ tut + utt + uttt + O[ Δt ]! 3! 3 ui± = ui ±Δ u + u ± u + O[ Δ ]! 3! 3 3 ui+ ui + ui = ui +Δ u + u + u ui + ui Δ u + u u =! 3!! 3! ( ) =Δ u + O Αντικαθιστώντας στην ΕΠΔ προκύπτει 3 3 Δt Δt u i i i +Δ tut + utt + uttt u u u Δ u + u u i! 3!! 3! + c = Δt = μ ( Δ u ) + O( ) 5

Δt Δt ut + utt + uttt + cu c u + c u = μu 6 6 Δt Δt ut + cu = μu utt uttt + c u c u + O( Δ ) 6 6 Δt utt + cut = μut uttt + c ut + O( Δt, Δ ) Δt ut + cu = μu utt + c u + O( Δt, Δ ) Δt Δt u = c u + μu u + c u cμu + c u c u 3 u = cu, u = c u, u = c u tt t ttt t tt t ttt tt 3 Δt 3 Δt utt = c u cμu + c u c u cμu + c u c u 3 u = c u cμ c Δ t+ c Δ u ( ) tt ΤΔΕ: t 3 3 t ut cu μu Δ c u ( cμ c t c ) u c Δ u c Δ + = Δ + Δ + + u c u 6 6 Δt 3 ut + cu = μ c + c u + cδtμ c Δ t + c Δt c u 3 6 c ν ut + cu = μu + ( ν) u c 6 + ν 3ν u 6 ReΔ ΑΣΚΗΣΗ 3 Εφαρμόστε ένα σχήμα πεπερασμένων διαφορών στην διδιάστατη εξίσωση κύματος: u u u + c + = 0 t y Στη συνέχεια βρείτε την αντίστοιχη τροποποιημένη εξίσωση και μελετείστε την ευστάθεια του προτεινόμενου αριθμητικού σχήματος. Λύση: Ευστάθεια: Βλέπε απαντήσεις της ης Εργασίας του 005-6, Άσκηση 3. Συνοχή Ρητού Σχήματος ui, j = ui, j v( ui, j ui, j) vy( ui, j ui, j ) () Αναπτύσσουμε σε Taylor γύρω από το u i, j 3 Δt Δt i j = i j+δ t+ tt+ ttt+ Δ u, u, tu u u O[ t ]! 3! 3 ui, j = ui, j Δ u + u u + O[ Δ ]! 3! τους όρους: 6

και u u yu Δy Δy u u! 3! O y 3 i, j = i, j Δ y+ yy yyy+ [ Δ ] Αντικαθιστώντας στην () παίρνουμε: 3 3 Δt Δt ui, j+δ tut+ utt+ uttt= ui, j v ui, j ui, j+u u+ u! 3!! 3! 3 Δy Δy vy ui, j ui, j +Δyuy uyy + uyyy! 3! 3 3 Δt Δt Δ tut + utt + uttt = v u u + u 6 6 3 Δy Δy v Δyu u + u 6 y y yy yyy 3 Δ tut + vδ u + vyδ yuy = v u + u 6 3 3 Δy Δy Δt Δt vy uyy + uyyy utt uttt 6 6 Δy Δy Δt Δt u + c( u + u ) = c u c u + c u c u u u 6 6 6 t y yy yyy tt ttt () Κρατώντας στην () όρους πρώτης τάξης και παραγωγίζοντας ως προς t, και y παίρνουμε τις σχέσεις Δy Δt utt + c( ut + uyt ) = c ut + c uyyt uttt Δy Δt ut + c( u + uy ) = c u + c uyy utt Δy Δt uty + c( uy + uyy ) = c uy + c uyyy utty Από τον συνδυασμό των οποίων προκύπτει η: ( ) ( ) ( ) u + c u + u cu c u + u cu c u + u = tt t yt t y ty y yy Δy Δt Δy Δt Δy Δt c ut + c uyyt uttt c u c uyy + c utt c uy c uyyy + c utty u = c u + c u + c u + tt y yy Δy Δt + c ut + c uyyt uttt Δy Δt Δy Δt c u c u + c u c u c u + c u yy tt y yyy tty Στη συνέχεια αντικαθιστούμε στην (3) τις χρονικές με χωρικές παραγώγους. (3) 7

Ξεκινώντας από τη σχέση ut c( u uy) 0 u t = ( u t ) = c ( u u y ) + = c ( u u + y ) uyyt = c( uyy + uyyy ) + + =, έχουμε: ( ) ( ) t ( ) t ( ) ( ) u = u = c u + u = c u + u = tt t y t yt = c c u + u c u + u = c u + c u + c u y y yy y yy ( ) u = u = cu + cu + cu = ttt tt t t yt yyt ( y ) ( y yy ) ( yy yyy ) 3 3 3 c u u c u u c u u = + + + u = c u + c u + c u tt y yy u = c u + c u + c u tty y yy yyy Αντικαθιστώντας τις παραπάνω σχέσεις στην (3) παίρνουμε: u = c u + c u + c u tt y yy Δy c( u + uy ) c( uyy + uyyy ) Δt 3 3 3 c ( u uy ) c ( uy uyy ) c ( uyy uyyy ) + + + + + () Δy Δt c u c uyy + c ( c u + c uy + c uyy ) Δy Δt c uy c uyyy + c ( c uy + c uyy + c uyyy ) Τελικά για να πάρουμε την ΤΔΕ αντικαθιστούμε την () στην () και μετατρέπουμε όλες τις υπόλοιπες χρονικές παραγώγους σε χωρικές. Έτσι καταλήγουμε στη σχέση: u + c u + u = ( ) t y Δt 3 c = c c u c Δt c ΔtΔ + u + 3 6 Δy Δt 3 cδy + c c uyy c Δt c ΔtΔ y+ uyyy + 3 6 + c Δt c Δ t u + c ΔtΔy c Δt u c Δtu η οποία γράφεται και ως 3 3 y yy y ( ) u + c u + u = t y c = c ( v ) u ( v 3v + ) u + 6 c + c ( vy) uyy ( vy 3vy + ) uyyy + 6 ΔΔ t ΔΔ t y + c ( ν) u + c ( ν) u c Δtu y yy y 8