Численное решение модельного уравнения

диссипации, конвекции и кинетики

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общая постановка задачи

2. Постановка тестовых задач

3. Методика решения тестовых задач

4. Результаты вычислений

Список литературы

Приложения

Приложение 1: Описание программы

Приложение 2: Текст программы

1. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Перенос тепла (или вещества) теплопроводностью (для вещества соответственно диффузией) и конвекцией описывается дифференциальным уравнением параболического типа:

( 1 )

где температура (или концентрация). Пусть являются некоторыми константами и . Уравнение (1) при указанных выше предположениях называется модельным уравнением диссипации, конвекции и кинетики. Слагаемые правой части имеют следующий физический смысл:

- соответствует переносу тепла теплопроводностью (или вещества диффузией);

- соответствует конвективному переносу;-

- "кинетический член", соответствует источнику, пропорционально-

му температуре или концентрации;

- интенсивность внешних источников или стоков.

В дальнейшем будем рассматривать только тепловую интерпретацию уравнения (1).

Численное решение уравнения (1) будем искать в области :

( 2 )

при заданных начальных значениях температуры: ( 3 )

и граничных условиях.

Граничные условия описывают режимы теплообмена с внешней средой:

при ;

при .

2. ПОСТАНОВКА ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ

В качестве тестовых задач для температуры мною были выбраны следующие пять функций:

( 9 )

( 10 )

( 11 )

( 12 )

( 13 )

Для функции (9) имеем:

Для функции (10):

Для функции (11):

Для функции (12):

Для функции (13):

Данные функции тестировались на отрезке по X: [0, 1] , по времени: [0, 1], с количеством разбиений по этим отрезкам - 30 .

3. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ

Данная задача решается с помощью двухслойной неявно конечно-разностной схемы.

Схема реализуется в три этапа.

1 этап: находятся предварительные значения с помощью 4-х точечной неявной схемы:

( 5 )

2 этап: используется за два шага. Сначала находятся на полученном слое () с шагом , а затем через . В этом случае используется 4-х точечная неявная разностная схема:

( 6 )

( 7 )

3 этап: окончательные значения находятся в виде линейной комбинации двух предварительных значений:

( 8 )

Для решения (1) воспользуемся формулами (5) - (8). Данные уравнения представляют трех диагональные матрицы, решаемые методом скалярной прогонки.

В начале нужно преобразовать (5) – (7) к виду:

( 14 )

Тогда (5) примет вид:

Т.е. ;

;

;

.

Формула (6) преобразуется в:

Т.е. ;

;

;

.

Формула (7) преобразуется в:

Т.е. ;

;

;

.

Далее решаем по формулам скалярной прогонки:

( 15 )

( 16 )

Для определения , и воспользуемся данными граничными условиями, т.е. формулой (4) и функцией . Так если мы берём из формулы (9), то имеем:

Приведём это выражение к виду: .

Т.е. теперь мы имеем и :

Далее найдем конечное :

( 18 )

Проведя аналогичные расчёты для заданных формулами (10) – (13), мы получим соответствующие , и . Далее мы можем решить системы методом прогонки и получить требуемый результат.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ

В результате проведённых испытаний программа показала свою высокую надёжность. Были получены следующие данные.

При расчёте с использованием функции и входных данных ; ; ; ; ; ; на отрезке по X и по времени [0,1] с шагом 0,033 был получен результат с ошибкой равной 0,0675 .

Для функции при ; ; ; ; ; ; , на том же промежутке, ошибка составляет 0,055 .

С функцией и ; ; ; ; ; ; ошибка примет значение 0,0435 .

При и условиях ; ; ; ; ; ; в результате возникает ошибка равная 0,0055 .

И, наконец, если выбрана функция и ; ; ; ; ; ; , то ошибка составит 0,00255 .

Т.е. можно сказать, что мы имеем результат с первым порядком точности. Столь малую точность можно объяснить тем, что производная, найденная при граничных условиях, так же имеет первый порядок точности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. Епанешников, В. Епанешников Программирование в среде Turbo-Pascal 7.0. - М.: Диалог - Мифи, 1996. - 288 с.

2. Петухова Т. П., Сибирцев В. В. Пакет прикладных программ для численного моделирования процессов тепло- и массопереноса. – Караганда: Изд-во КарГУ. 1993

3. Фигурнов В. Э. IBMPC для пользователя. - М.: Инфра - М, 1995. - 432 с.

Приложение 1

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ

Поставленная задача была программно реализована на языке программирования Turbo-Pascal 7.0.

В состав программы входят следующие файлы:

basis.pas - PAS-файл основной части программы

(решение системы уравнений методом скалярной прогонки);

basis.v&v - EXE-файл основной части программы (вызывается из START.PAS);