(27)
где -неизвестные
значения величин в конце шага
;
-известные начальные значения.
Подставляя значение из выражения (27 ) в уравнение (26),
записанное для t = получаем
(28)
Используя равенство (26 )
при t = из выражения (28) находим следующую
рекуррентную формулу для последовательного пошагового определения неизвестной
функции
:
(29)
Для установившегося режима интегрирование проводить не нужно ,так как тогда выражение (26 ) приводится просто к уравнению
Так как явление теплопроводности есть диффузионный процесс, приведенные выше формулы и уравнения теплопроводности выглядят идентично. Например, может быть использовано выражение для потока тепла
,
где —
количество тепла, протекающего через единицу площади, перпендикулярной к
направлению
(кал, Дж и т. д.);
—
коэффициент теплопроводности в направлении
,
— температура.
При совместном рассмотрении диффузии и конвекции необходимо решить систему уравнений (25 ), записанную, как обычно, в эйлеровых координатах. Решение можно получить интегрированием по времени указанной системы Решение состоит в комбинации систем координат Эйлера и Лагранжа. Эйлерова сетка конечных элементов допускает произвольные искривления, но в вычислительном отношении очень неэффективна из-за наличия конвективных членов, содержащихся в несимметричной матрице А уравнений (25). Наоборот, если используется схема Лагранжа при изучении движения жидкости, то сетку элементов легко можно сделать очень искривленной. Представляется удобным для такого типа задач применять смешанную эйлерово-лагранжеву схему. При этом будет выполняться простое интегрирование, присущее формулировке Лагранжа, но сохранится вычислительная сетка, используемая в схеме Эйлера.
Для
схемы Лагранжа (при отсутствии конвективных членов) можно получить рекуррентное
соотношение, аналогичное выражению (29 ). Для введения конвекции в это
уравнение, характеризующее нестационарный режим, во многих задачах диффузии
можно предположить, что для малого диффузия не зависит от
конвекции и матрицы в уравнении (29 ) постоянны. Конвекция впоследствии вычисляется
в предположении, что в каждом элементе находится фиксированная масса жидкости,
и ее движения определяются в пределах временного шага по распределению
скорости.
В этом случае величина , обусловленная как диффузией,
так и конвекцией, известна в ряде точек новой сетки. Значения концентрации в
точках первоначальной сетки могут быть вычислены по значениям
новой сетки интерполяцией. Процедур
интегрирования можно повторить для следующего шага по вре-
мени.
Таким образом, в данной схеме считается, что элемент движется вместе с жидкостью, когда рассматривается конвективная часть, но при рассмотрении диффузии элемент остается в том же самом положении в пространстве, а жидкость проходит через него.
Во многих задачах диффузии константы диффузии зависят от значений функции концентрации. Поэтому такие задачи являются нелинейными. Для примера уравнение, характеризующее установившуюся неконвективную диффузию:
, (30)
где коэффициенты являются функциями
.
После применения процедуры метода конечных элементов получим нелинейную систему уравнений типа
(31)
Для решения системы (31 )
начнем с начальной величины и найдем улучшенное
приближение
. Рекуррентное соотношение при этом
записывается :
(32)
Можно ускорить сходимость решения, используя метод Ньютона — Рафсона. В этом случае определяют невязку по результатам 1-й аппроксимации:
. (33)
Накладывают условие
(34)
Это дает рекуррентное
соотношение
где (35)
(36)
Из уравнения (36) можно
найти . Таким образом,
(37)
Степень сходимости решения в данном случае имеет второй порядок.
5. Литература
1. Сегерлинд Л.Д. “Применение метода конечных элементов” -М.: Мир, 1979.
2. Галлагер “Основы в методах конечных элементов“.
3. Коннор и Бреббиа “Метод конечных элементов в жидкости“, 1979.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.