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

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

w 1, z = 2 και r = 1

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

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

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

y 1 και με οριακές συνθήκες w

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

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

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

Επίλυση παραβολικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

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

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

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

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

Υπολογιστικές Μέθοδοι

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Κεφάλαιο 7. Επίλυση υπερβολικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

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

5. Ανάλυση διακριτής μορφής ΔΜΠ με ΠΔ

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

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

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

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

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

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

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

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

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ

Επιµέλεια: Γιάννης Λυχναρόπουλος Οµάδα Α: Άσκηση 2 Έχουµε να επιλύσουµε την εξίσωση: 2

Αριθμητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστημάτων

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

z είναι οι τρεις ανεξάρτητες

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

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

Κεφ. 6: Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές προβλήματα οριακών τιμών

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

Κεφ. 7: Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

Αριθμητική παραγώγιση εκφράσεις πεπερασμένων διαφορών

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

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

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

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

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

Υπολογιστικές Μέθοδοι = 0.4 και R

Παράδειγμα #6 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Παράδειγμα #8 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΙΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης. την κεντρώα έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης και β) για τη παράγωγο f

Κεφ. 3: Παρεμβολή. 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Πολυωνυμική παρεμβολή Παρεμβολή Lagrange Παρεμβολή Newton. 3.3 Παρεμβολή με κυβικές splines

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

Αριθμητική Ολοκλήρωση της Εξίσωσης Κίνησης

Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων για την εξίσωση της θερμότητας

= λ. u t = u xx UT = U T T T = U U. Οσον αφορά τη χρονική εξίσωση έχουμε. T + λt =0 T (t) =e λt. ενώ για τη χωρική

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ

Πεπερασμένες Διαφορές.

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

0.5, Μεταφορά θερμότητας ανάμεσα σε κυλίνδρους μεγάλου μήκους (χωρίς ασπίδα):

Διαφορικές Εξισώσεις.

Κεφάλαιο 4: Στοιχεία της εκδοχής hp της ΜΠΣ στις 2- διαστάσεις

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΙΝΑΚΑ ΣΥΝΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Ι. Γραμμικά τετραγωνικά στοιχεία Q4 Έστω πλέγμα ΝxΜ Έστω πλέγμα με ΝxM στοιχεία:

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ

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

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι ΣΔΕ Bernoulli, Riccati, Ομογενείς. Διαφορικές Εξισώσεις Bernoulli, Riccati και Ομογενείς

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

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

MEM 253. Αριθμητική Λύση ΜΔΕ * * *

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

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

~ 1 ~ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 7ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Ορίζουσες Επιμέλεια: Ι. Λυχναρόπουλος

Κεφ. 4: Ολοκλήρωση. 4.1 Εισαγωγή

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

Μέθοδοι πολυδιάστατης ελαχιστοποίησης

Κεφ. 5: Ολοκλήρωση. 5.1 Εισαγωγή

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

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #4: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

Παρουσίαση 3ης Άσκησης

f x και τέσσερα ζευγάρια σημείων

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

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

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ιδάσκων : Ε. Στεφανόπουλος 12 ιουνιου 2017

Κεφάλαιο 1. Αριθµητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστηµάτων

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

Αριθμητική επίλυση του προβλήματος της Αγωγής Θερμότητας.

Κεφ. 3: Παρεμβολή. 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Πολυωνυμική παρεμβολή Παρεμβολή Lagrange Παρεμβολή Newton. 3.3 Παρεμβολή με κυβικές splines

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 26/10/2017. Διαφορικές Εξισώσεις Bernoulli, Riccati και Ομογενείς

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, 2004, 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #5: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ

Διαφορικές Εξισώσεις.

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #3: ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Μισδανίτης

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

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

ΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗ ΛΥΣΗ ΜΙΑΣ ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ. Τμήμα Μαθηματικών Πανεπιστημίου Πατρών Νοέμβριος 2014

Οι παρακάτω ασκήσεις είναι από το βιβλίο των S. C. Chapra και R. P. Canale με τίτλο Numerical Methods for Engineers, 6 th edition.

Ενότητα 3 (μέρος 1 ο )

Transcript:

ΑΣΚΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 9-, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ και ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: 5..9 ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ. Βαλουγεώργης Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος Η μόνιμη θερμοκρασιακή κατανομή σε δύο διαστάσεις περιγράφεται από την εξίσωση: T T =. () x y Να υπολογισθεί η θερμοκρασιακή κατανομή μιας πλάκας με x, y και με οριακές συνθήκες T T( x, ) = T( x,) =, x = και T = y y, x =. () x = Λύση Το πεδίο ορισμού διακριτοποιείται επιλέγοντας Nx ίσα μεταξύ τους διαστήματα ( Nx κόμβους) στη x κατεύθυνση και Ny ίσα μεταξύ τους διαστήματα ( Ny κόμβους) στη y κατεύθυνση. Για απλούστευση των εξισώσεων πεπερασμένων διαφορών επιλέγουμε Ny = Nx έτσι ώστε να δημιουργηθούν τετραγωνικά κελιά και να είναι: hx = = hy = = h. Στο Σχήμα παρουσιάζεται Nx Ny το πλέγμα για Ny =, Nx = (x=,y=) (,5) T = (,5) (3,5) (,) (,) (3,) T = x (,3) (,3) (3,3) (,) (,) (3,) T = y y (x=,y=)(,) (,) (3,) (x=,y=) T = Σχήμα : Αριθμητικό πλέγμα

Η Εξ. () διακριτοποιείται στον τυχαίο εσωτερικό κόμβο εκφράσεις κεντρώων πεπερασμένων διαφορών ης τάξης: (, j) χρησιμοποιώντας T T T T T T T T T T T T = =, j, j, j, j, j, j, j, j, j, j, j, j hx hy h T, j= ( T, j T, j T, j T, j ), =,..., Nx, j =,..., Ny (3) Οι οριακές συνθήκες σε διακριτή μορφή δίνουν: T( x,) = T, =, =,..., Nx () T( x, ) = T =, =,..., Nx (5) Ny, (, ) = Nx, j = ( ) y ( ) y, =,..., T y y y T j h j h j Ny (6) T Για τη συνθήκη = επιλέγεται η πιο απλή προσέγγιση, δηλαδή μία έκφραση x x = πρόδρομων πεπερασμένων διαφορών ης τάξης (αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ολόκληρο το αριθμητικό μας σχήμα να είναι πλέον ης τάξης.): T T, j, j h x = T = T, j =,,3,..., Ny (7), j, j Για τις τιμές της μεταβλητής T στους γωνιακούς κόμβους επιλέγουμε όλοι οι γωνιακοί κόμβοι να έχουν τιμή T =. Επιλύοντας το πρόβλημα με το πλέγμα του Σχήματος έχουμε το ακόλουθο σύστημα 5 εξισώσεων με 5 αγνώστους ( h = h = /): x y T, = T, = T3, = T, = T, T = T T T T T3, = hy hy T,3 = T,3 T = T T T T T3,3 = 8hy 8hy T, = T, T = T T T T T3, = 8hy hy T,5 = T,5 = T3,5 = ( ), 3,,,3, ( ),3 3,3,3,, ( ), 3,,,5,3

Το σύστημα επιλύεται με Mathematca ως εξής: h =.5; SolveB:T, T, T3, T T, T HT3 T T3 TL, T3 == h h, T3 T3, T3 == HT33 T3 T TL, T33 8h 8 h, T T, T == HT3 T T5 T3L, T3 8 h h, T5, T5, T35 >, 8T, T, T3, T, T, T3, T3, T3, T33, T, T, T3, T5, T5, T35<F Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον ακόλουθο πίνακα: Τ = = =3 j=5.5 j=.9857.9857.5 j=3.857.857 j=.9857.9857.5 j= Για την επίλυση του συστήματος που προκύπτει στη γενική περίπτωση των Nx Ny εξισώσεων, εφαρμόζεται η επαναληπτική μέθοδος Gauss-Sedel. Η Εξ. (3) γράφεται στη μορφή: ( k ) ( k) ( k ) ( k) ( k ) T, j = ( T, j T, j T, j T, j ), =,..., Nx, j =,..., Ny όπου ο δείκτης δηλώνει τον αριθμό της επανάληψης. ( k ) Πρόγραμμα Fortran Program GaussSedel mplct none doubleprecson,allocatable::t(:,:),told(:,:) nteger::nx,ny,,j,max,done,k doubleprecson::err,h,maxerr Nx=! Arthmos dasthmatwn (= arthmos kombwn-) Ny=*Nx! Ga na exoume Dx=Dy allocate(t(nx,ny),told(nx,ny)) max=5 err=. h=./ny!(=./nx) k= done= T(:,:)=. do whle (k<=max.and. done==) Told(:,:)=T(:,:) T(:,)= do j=,ny T(,j)=T(,j) do =,Nx T(,j)=.5*(T(,j)T(,j-)T(,j)T(-,j)) 3

T(Nx,j)=-* (j-)** *h***(j-)*h T(:,Ny)=! elenxos ga termatsmo maxerr=maxval(abs(t-told)) f (maxerr<err) then done= end f prnt*, k,maxerr k=k open(,fle='res_gauss.txt',recl=) do j=,ny wrte(,*) T(:,j) end Ανοίγοντας το αρχείο «res_gauss.txt» και χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Compaq Array Vewer παίρνουμε στο Σχήμ α την απεικόνι ση κατανομή της θερμοκρασίας T στην επιφάνεια της πλάκας (για Nx =, Ny = ): Σχήμα : Γραφική απεικόνιση θερμοκρασιακής κατανομής

ΑΣΚΗΣΗ Δίδεται η διαφορική εξίσωση: ( r ) f f = f r r r, r, > () με τις συνθήκες f =, =, r () f =, r =, > (3) f =, r =, >. () r Να εξετασθεί ο τύπος της διαφορικής εξίσωσης και στη συνέχεια να εφαρμοσθεί ένα αριθμητικό σχήμα επίλυσης του προβλήματος. Λύση r = f = f = r r=, f r = N N r=, r r r 3 r rnr r Nr r =, = Σχήμα 3: Αριθμητικό πλέγμα Για να μελετηθεί η Εξ. (), γράφεται στη μορφή Afrr Bfr Cf... = και υπολογίζεται η διακρίνουσα Δ= B AC : A B C f f f f f = r r r r ( r ) Επομένως Δ= = Άρα η Εξ. () είναι παραβολική. 5

Το πρόβλημα επιλύεται αρχικά με ρητό και στη συνέχεια με πεπλεγμένο σχήμα. Λόγω αξισυμμετρίας το αριθμητικό πλέγμα ορίζεται στο επίπεδο ( r, ) με r και >. Ρητό σχήμα Η Εξ. () διακριτοποιείται στον τυχαίο κόμβο (, k ) χρησιμοποιώντας το ρητό σχήμα με πρόδρομη πεπερασμένη διαφορά ης τάξης ως προς και κεντρώες πεπερασμένες διαφορές ης τάξης ως προς r : f f f f f f f k k k k k k k = ( r ) Δr r Δr Δ k k k k k k k = ( r ) Δr r Δr Δ k r r k k k = f Δ Δr Δ Δr rδr Δr rδr f f f f f f f f f f =,..., Nr, k =,,... (5) k df Ειδικά για τον κόμβο f χρησιμοποιούμε την οριακή συνθήκη =, την οποία dr r = διακριτοποιούμε χρησιμοποιώντας πρόδρομη πεπερασμένη διαφορά: f f Δr k k = f = f k k (6) Επίσης είναι: r = Δ r, =,..., Nr (7) Πρόγραμμα Fortran: Program FTBS mplct none nteger,parameter:: Nr=7!Arthmos dasthmatwn. O prwtos kombos sth thesh ka o teleytaos sth thesh Nr. real,parameter::d=.! Bhma nteger,parameter::n=! Arthmos bhmatwn sthn akteythnsh real::f(:nr,:n),r(:nr) nteger::,j,k real::dr,a,b,c,d,e dr=./(nr)!bhma r do =,Nr r()=*dr 6

!Arxkes tmes f(:,)=. open(,fle='res_rhto.txt',recl=) do k=,n do =,Nr- a=./dr** b=(.-r()**)/d c=b-a d=./dr** -./(.*r()*dr) e=./dr**./(.*r()*dr) f(,k)=(d/b)*f(-,k-)(e/b)*f(,k-)(c/b)*f(,k-) f(nr,k)=. f(,k)=f(,k)! Orakh synthkh! Orakh syntkh symmetras do k=,n wrte(,'(<nr>(f.,x))') f(:,k) close() end program Δ Για να έχει το ρητό σχήμα ευστάθεια θα πρέπει να ισχύει <. Επιλέγοντας Δr Δ r = /6 και Δ =. προκύπτουν τα παρακάτω αποτελέσματα: k r = r = /6 r = /6 r 3 = 3/6 r = /6 r 5 = 5/6 r 6 =......................87. 3.3.....996.773......9995.975.696. 5.5....998.956.633. 6.6...9999.9958.935.586. 7.7...9997.996.93.57. 8.8...9993.988.899.55. 9.9.9999.9999.9988.983.869.88...9999.9999.998.9776.877.653. Πεπλεγμένο σχήμα Η Εξ. () διακριτοποιείται στον τυχαίο κόμβο ( k, ) χρησιμοποιώντας το πεπλεγμένο σχήμα με ανάδρομη πεπερασμένη διαφορά ης τάξης ως προς κεντρώες πεπερασμένες διαφορές ης τάξης ως προς r : και 7

f f f ( r ) r r k, r k, k, = ( ( r) ) k k k k k k k f f f f f f f Δ = Δr Δr Δr Δ k ( Δr) k k ( Δr) k f f f = Δr Δr Δr Δ Δr Δr f Δ =,..., Nr (8) Για τις οριακές συνθήκες έχουμε: f = = r f = = N r (9) f = r = > f = k = N (),,,,..., k,, N,,..., r Για r = διακριτοποιείται η Εξ. () αφού πρώτα εφαρμοσθεί η σχέση f lm r f = r r r f Επίσης, η παράγωγος = προσεγγίζεται με κεντρώες πεπερασμένες διαφορές: r k k k k f f f f f f = ( r ) = r Δr Δ k k k f f f r = () Δ Δ Δr Δ Το σύστημα είναι τριδιαγώνιο και επομένως ο αλγόριθμος Thomas είναι ο πλέον αποτελεσματικός. Βεβαίως μπορεί να επιλυθεί και με επαναληπτικές μεθόδους όπως η Gauss-Sedel. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και οι δύο μεθόδοι ξεκινώντας με τον αλγόριθμο Thomas. Το τριδιαγώνιο σύστημα είναι της μορφής: b c f d a b c f d a b c f d = anr bnr c Nr f Nr d Nr anr b Nr f Nr d Nr με b = Δr Δ, c =, d Δ = f r Δ και k 8

a =, =,..., Nr Δr rδr r b =, =,..., N r Δr Δ c =, =,..., Nr Δr rδr r k d = f, =,..., Nr Δ Πρόγραμμα Fortran με αλγόριθμο Thomas: Program ThomasP mplct none nteger,parameter:: Nr=6!Arthmos dasthmatwn. O prwtos kombos sth thesh ka o teleytaos sth thesh Nr real,parameter::d=.! Bhma nteger,parameter::n=! Ο arthmos bhmatwn sthn kateythnsh real::a(:nr-),b(:nr-),c(:nr-),d(:nr-),x(:nr-) real::f(:nr,:n),r(:nr) nteger::,j,k real::dr dr=./nr do =,Nr r()=*dr open(,fle='res_thomas.txt',recl=) f(:,:)=. f(:,)=. do =,Nr r()=*dr do k=,n f(nr,k)=. B()=-./dr**-./d C()=./dr** D()=-(./d)*f(,k-) do =,Nr- A()=./dr** -./(.*r()*dr) B()=-./dr**-(.-r()**)/d C()=./dr**./(.*r()*dr) D()=-((.-r()**)/d)*f(,k-) A(Nr-)=./dr** -./(.*r(nr-)*dr) B(Nr-)=-./dr**-(.-r(Nr-)**)/d D(Nr-)=-((.-r()**)/d)*f(Nr-,k-) 9

call Thomas(Nr,A,B,C,D,X) f(:nr-,k)=x(:) wrte(,'(<nr>(f.,x))') f(:,k) prnt*, '-------------' do =,Nr prnt '(Hx(,I3,H) =,F.5)',,f(,k)!k contans subroutne Thomas(n,a,b,c,d,x) nteger,intent(in) :: n real, INTENT(INOUT) ::a(n),b(n),c(n),d(n) real, INTENT(INOUT) ::x(n) nteger:: real ::t(n),u(n) t()=b() u()=d()/t() end do =,n t()=b()-a()*c(-)/t(-) u()=(d()-a()*u(-))/t() x(n)=u(n) do =n-,,- x()=u()-c()/t()*x() end subroutne Thomas Για Δ r = /6, Δ =. και βήματα παρακάτω αποτελέσματα: Δ στην κατεύθυνση προκύπτουν τα k r = r = /6 r = /6 r 3 = 3/6 r = /6 r 5 = 5/6 r 6 =............9997.993.895.....9999.9987.985.88. 3.3...9998.997.9665.737.....9996.998.993.6779. 5.5..9999.999.997.937.685. 6.6..9999.9987.9878.9.5869. 7.7.9999.9998.998.9833.898.555. 8.8.9999.9996.997.978.87.5. 9.9.9998.999.996.97.859.95...9998.999.997.966.83.7. Στη συνέχεια εφαρμόζεται για το ίδιο σύστημα η μέθοδος Gauss-Sedel. Η Εξ. (8) γράφεται στη μορφή ( n) ( ) ( ) n n k r k k r = Δr Δ Δr rδr Δr rδr Δ k f f f f και η Εξ. () στη μορφή ()

( n) ( n ) k k f k f = r f Δ Δ Δr Δ όπου ( n) είναι ο δείκτης επανάληψης της Gauss-Sedel. (3) Πρόγραμμα σε Fortran με αλγόριθμο Gauss-Sedel: Program peplegmeno mplct none doubleprecson,allocatable::r(:),u(:,:),uold(:) nteger::n,n,,j,k,m,status,tmax,done,method doubleprecson::err,max,dr,dt,l doubleprecson::a,b,c,d,e,f n=6 N=3 dt=. dr=./n err=. allocate(r(:n),u(:n,:n),uold(:n)) tmax= do =,n r()=*dr open(,fle='res_pepleg.txt',recl=) u(:,:)=. u(:,)=. do k=,n!gauss-sedel m= done= u(:,k)=u(:,k-) do whle (done==) uold=u(:,k) u(n,k)=. a=./dr** b=./dt c=ab u(,k)=(a/c)*u(,k)(b/c)*u(,k-) do =,n- a=./dr** b=(.-r()**)/dt c=ab d=./dr** -./(.*r()*dr) e=./dr**./(.*r()*dr) u(,k)=(d/c)*u(-,k)(e/c)*u(,k)(b/c)*u(,k-) enddo

max=maxval(abs((u(:n-,k)-uold(:n-))/u(:n-,k))) prnt*,k,m,max f(max<err) then done= endf m=m enddo!gauss-sedel!k do k=n,,- wrte(,'(<>(f.,x))') u(:,k) end program Για Δ r = /6, Δ =. και βήματα παρακάτω αποτελέσματα: Δ στην κατεύθυνση προκύπτουν τα k r = r = /6 r = /6 r 3 = 3/6 r = /6 r 5 = 5/6 r 6 =............9997.993.895.....9999.9987.985.88. 3.3...9998.997.9665.737.....9996.998.993.6779. 5.5..9999.999.997.937.685. 6.6..9999.9987.9878.9.5869. 7.7.9999.9998.998.9833.898.555. 8.8.9999.9996.997.978.87.5. 9.9.9999.9995.996.97.859.95...9998.999.997.966.83.7. Παρατηρούμε πλήρη ταύτιση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της μεθόδου Thomas. Τέλος, εφαρμόζοντας το πεπλεγμένο σχήμα σε ένα πυκνότερο πλέγμα με Δ r = /, Δ =. και για 3 βήματα στην κατεύθυνση παίρνουμε το ακόλουθο γράφημα: Σχήμα : Γραφική απεικόνιση θερμοκρασιακής κατανομής

ΑΣΚΗΣΗ 3 Να μελετηθεί η ευστάθεια και συνοχή του αριθμητικού σχήματος Crank Ncolson, όταν αυτό εφαρμόζεται στην εξίσωση θερμότητας ή διάχυσης ut = u xx. Προτείνετε μεθόδους βελτίωσης της συνοχής. Λύση Ευστάθεια n n n n u u = λ( u u u ) λ( u u u ) () n n akx Θέτοντας στην Εξ. () u =Ψ e, a= βρίσκουμε n ak( xδx) n akx n ak( x Δx) λ ( Ψ e Ψ e Ψ e ) Ψ λ =Ψ ( ( Δ )) akx n akx ak ( xδ x) akx ak x x Ψ e Ψ e = λ Ψ e Ψ e Ψ e Δ ( e e ) λ ( e e ) n akδx akδx n akδx ak x Ψ Ψ = λψ Ψ ( e e ) λ( e e ) akδx akδx n akδx akδx λ Ψ ξ = = n Ψ λ Εφαρμόζοντας τη σχέση akδx akδx ( e e ) akδx akδx ( e e ) [ ] [ ] akδx akδx e e = cos( kδ x) asn( kδ x) cos( kδx) asn( kδ x) = cos( kδ x) προκύπτει ότι λ ( cos( kδx) ) ξ = λ ( cos( kδx) ) Τέλος, εφαρμόζοντας τη ταυτότητα cos x sn = x βρίσκουμε kδx kδx λ sn sn λ ξ = = kδx kδx λ sn λ sn Α Επομένως, ο λόγος ξ είναι της μορφής ξ =, όπου Α μία θετική ποσότητα. Το Α σχήμα είναι ευσταθές για ξ < : 3

Α Α Α< Α ξ = < < < Α< Α< Α Α Α Α< Α <, αληθές Α < Α, αληθές Επομένως, ο λόγος ξ είναι πάντα μικρότερος της μονάδος για κάθε λ, δηλαδή το σχήμα Crank Ncolson είναι πάντα ευσταθές για οποιαδήποτε Συνοχή Εξετάζεται η συνοχή του γενικότερου σχήματος ( ) ( θ) λ( ) n n n n Δ t και Δ x. u u = θλ u u u u u u, () όπου θ = / προκύπτει το σχήμα Crank-Ncolson. Αναπτύσσονται όλες οι ποσότητες της Εξ. () γύρω από τη βασική ποσότητα κρατώντας όρους μέχρι και ης τάξης: n u με σειρά Taylor 3 n n t t t t u = u Δ ut Δ utt Δ uttt Δ utttt O Δ t! 3! 8! 6 5 [ ] 3 5 u = u ut utt uttt utttt O[ Δ t ]! 3! 8! 6 3 n u± = u ±Δx u ±Δx u ±Δx u x t! x t 3! x t ±Δx u! x t u u xu u x u x u u! n ± = ±Δ x t Δ xx Δ xt tt 3 3 ±Δxuxxx 3Δ x uxxt ± 3Δx uxtt uttt 3! 8 3 3 5 5 Δx uxxxx Δ x uxxxt 6Δx uxxtt Δ x uxttt utttt O[ Δx, ]! 8 6 3 u± = u ±Δ x u ±Δ x u ±Δ x u x t! x t 3! x t ±Δ x u! x t

u = u ±Δ xu u Δ x u ± Δ x u u! ± x t xx xt tt 3 3 ±Δ x uxxx 3Δ x uxxt ± 3Δ x uxtt uttt 3! 8 3 3 5 5 Δ x uxxxx ± Δ x uxxxt 6Δ x uxxtt ± Δ x uxttt utttt O[ Δx, ]! 8 6 Το αριστερό μέλος της Εξ. () δίνει: n n n = u u u ut! 3 t t u Δ Δ u u 3! 8! 6 tt ttt tttt n u ut ut t! 3 5 uttt utttt O[ ] 3! 8! 6 n n 3 u u =Δ tut Δ t uttt O[ 5 ] Επίσης, στο δεξιό μέλος της Εξ. () έχουμε τους όρους: u u u = u Δ xux ut Δ x uxx Δ x uxt utt! 3 3 Δ x uxxx 3Δ x uxxt 3Δ x uxtt uttt 3! 8 3 3 Δ x uxxxx Δ x uxxxt 6Δ x uxxtt Δ x uxttt utttt! 8 6 u! 3! 8! 6 3 ut utt uttt utttt u Δ xux ut Δx uxx Δ x uxt utt! 3 3 Δ xuxxx 3Δx uxxt 3Δ x uxtt uttt 3! 8 3 3 5 5 Δxuxxxx Δ x uxxxt 6Δx uxxtt Δx uxttt utttt O[ Δx, ]! 8 6 5 u u u =Δ x uxx Δx Δ tuxxt Δx Δ t uxxtt Δ x uxxxx O[ Δx, 5 ] 8 και 5

n n n u u u = u Δxux ut Δx uxx Δ x uxt utt! 3 3 Δx uxxx 3Δ x uxxt 3Δx uxtt uttt 3! 8 Δx u Δ x u Δx u Δ x u u! 8 6 u 3 3 xxxx xxxt 6 xxtt xttt tttt 3 ut utt uttt utttt! 3! 8! 6 u Δxux ut Δ x uxx Δ x uxt utt! 3 3 Δx uxxx 3Δx uxxt 3Δx uxtt uttt 3! 8 3 3 5 5 Δ x uxxxx Δ x uxxxt 6Δ x uxxtt Δx uxttt utttt O[ Δx, ]! 8 6 n n n 5 u u u =Δx uxx Δx Δ tuxxt Δx Δ t uxxtt Δ x uxxxx O[ Δx, 5 ] 8 Αντικαθιστώντας τις παραπάνω εκφράσεις στην Εξ. () προκύπτει: 3 5 5 Δ tut Δ t uttt = θλ Δ xuxx ΔxΔ tuxxt ΔxΔ tuxxtt Δ xuxxxx O[ Δx, ] 8 5 5 ( θ) λ Δxuxx ΔxΔ tuxxt ΔxΔ t uxxtt Δ xuxxxx O[ Δx, ] 8 3 Δ tut Δ t uttt = λδ x uxx ( θ ) λ Δx Δ tuxxt λ Δx ux xtt λ Δ xuxxxx 8 5 5 λo[ Δx, ] Δx Δx ut Δ t uttt = λ uxx ( θ ) λ Δ x uxxt λ Δx Δ tuxxtt λ uxxxx 8 λ 5 5 O[ Δx, ] Εισάγονται οι σχέσεις uxxt = uxxxx και uxxtt = uttt = uxxxxxx και η παραπάνω εξίσωση ξαναγράφεται στη μορφή Δx Δx ut Δ t uxxxxxx = λ uxx ( θ ) λ Δ x uxxxx λ Δx Δ tuxxxxxx λ uxxxx 8 λ 5 5 O[ Δx, ] 6

Δx Δx u u x u x t t u t 8 Δ λ 5 5 O[ Δx, ] t = λ xx ( θ ) λ Δ λ xxxx λ Δ Δ Δ xxxxxx Θέτοντας λ = προκύπτει η τροποποιημένη εξίσωση Δ x ut = uxx ( θ ) Δ t Δ x uxxxx Δ t uxxxxxx O[ Δx, 3 5 ] Παρατηρούμε ότι καθώς και Δx παίρνουμε την αρχική εξίσωση και επομένως το σχήμα έχουμε συνοχή. u t = ux x 6λ Σημειώνεται ότι για θ λ αυξάνοντας την ακρίβεια του σχήματος. θ Δ t Δx = ο όρος ( ) μηδενίζεται Επίσης, για θ = / προκύπτει η τροποποιημένη εξίσωση του Crank-Ncolson u = u Δ x u Δ t u t xx xxxx xxxxxx Τέλος, για θ = και θ = προκύπτουν οι τροποποιημένες εξισώσεις του ρητού και πεπλεγμένου σχήματος αντίστοιχα. ΑΣΚΗΣΗ : Βλέπε απαντήσεις Άσκησης της ης Εργασίας του 8-9. 7