冯·诺伊曼稳定性分析的有限差分方法的替代方法


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我正在研究耦合的一维多孔弹性方程(比奥模型),给出为:

(λ+2μ)2ux2+px=0
t[γp+ux]κη[2px2]=q(x,t)
在域并具有边界条件: Ω=(0,1)

p=0,(λ+2μ)ux=u0 at and在。ü = 0 px=0X=1u=0,px=0x=1

我使用中心有限差分方案离散了这些方程式:

γp+ 1 -p

(λ+2μ)ui+1t+12uit+1+ui1t+1Δx2+pi+1t+1pi1t+12Δx=0
γpit+1pitΔt+ui+1t+1ui1t+12ΔxΔt[ui+1tui1t2ΔxΔt]κη[pi+1t+12pit+1+pi1t+1Δx2]=qit+1

我目前正在通过分析方案的一致性和稳定性来制定方案收敛的细节。一致性部分对我来说似乎很简单,但是我已经预见到稳定性分析会遇到一些困难。首先,有两个变量和两个方程。其次,第二个方程中还有一个混合的时空导数项。我熟悉冯·诺伊曼(von neumann)稳定性分析,可以看到用这种方法建立稳定性将非常困难。我可以使用冯·诺依曼分析的替代方法吗?


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如果您对使用方程组进行分析感到不舒服,只需将第一个方程相对于区分,第二个方程相对于区分。然后使用混合偏导数的等式消除。X ütxu
David Ketcheson

@DavidKetcheson:有趣。本质上,您建议我可以将系统简化为单个变量,并对进行标准von neumann分析,而又不会失去对?的一般性。üpu
保罗

无论是将其编写为系统还是标量PDE,都是同样的问题。
David Ketcheson

Answers:


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如果用(至少用于分析),则可以将系统写为 ,其中所有常数都设置为,下标表示变量和微分运算符的空间离散化。然后通过隐式欧拉近似来获得您的方案。 üX[ 0 0 本人 ]duxux

[00II]ddt[ph(t)ux,h(t)]+[hhΔh0][ph(t)ux,h(t)]=[qh(t)0]()
1hddt

现在,微分代数(DAE)结构很明显。对于变量,既有微分(时间)方程,也有代数方程。

如果您可以证明 是可逆的,请参见。该预印本[p。[3]和下面的编辑,比DAE的索引为1或无奇异且隐式的Euler已知是收敛的,请参见本书中的定理5.12 。(免责声明:这本书不是由我的博士导师免费提供和撰写的)[hhII]

使用这种方法,您可能会避开稳定性分析。

为了直接证明稳定性,我将尝试使用等式通过特征函数应用von Neumann稳定性分析,并研究对特征函数的影响。L2()Δhh

但是,如果无法为建立稳定性,则并不意味着您的方案就不会收敛-因为替换了。一般而言,对于逼近实际变量的方案,而不是逼近其导数的方案,人们可​​以期望其稳定性。()uux

附录: 如果可以将DAE转换为ODE而无需微分方程,则DAE被称为索引1。

假设DAE的形式为 然后可逆性 意味着,存在一个变量转换最终交换了系数的列,以便 与可逆(全等级属性)和可逆(Schur补码)。

[E10]y˙+[A1A2]y=f.
[E1A2]y~y[E1A2][E~11E~12A~21A~22]A~22A2A~11E~12A~221A~21

对于系统这意味着,与所定义的代数部分可用于求解一部分的。然后,可以从微分部分(的第二个方框行)中消除,以获得剩余变量的ODE。2= [ - ħ ħ ] Ý 2p ħü X ħd()A2:=[h h]y~2(ph,ux,h)ddty~2()


这是一个非常有趣的技术。我查看了您引用的论文,很好奇您如何得出结论必须是可逆的。您应用了哪个定理?
[hhII]
保罗

@保罗我没有找到参考的一个定理,所以我将插入参数到我的答案...

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我不熟悉这里给出的方程式,但是我记得在课程中学习了另一种检查数值方案稳定性的方法。称为修正方程分析。

这是一个很好的参考,

http://193.146.160.29/gtb/sod/usu/$UBUG/repositorio/10291890_Warming.pdf

在以上参考文献中,建立了基于修正方程分析的稳定性理论与冯·诺依曼稳定性分析之间的联系。

经过一些在线搜索,我发现了以下参考文献,

这个论述在地震频率比奥多孔弹性方程的有限差分模拟。它也有关于数值方案稳定性的部分。

这个呈现解耦耦合系统,并且检查数字格式的稳定性的解决策略。


我没有对上述方程式进行修改后的方程式分析,但是由于问题要求冯·诺依曼分析的替代方法,因此我写了以上答案。它很可能无法回答问题。但是有些人可能会发现列出的参考文献对他/她的工作很有用。
Subodh

感谢您的参考!我可以看到您的“ 修改后的方程式分析”论文中所需的表格与我正在使用的方程式不完全匹配,但是学习新的分析技术非常有趣!
保罗
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