Локально-одномерная схема для уравнения теплопроводности с краевыми условиями третьего рода
Автор: Баззаев Александр Казбекович
Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru
Статья в выпуске: 1 т.13, 2011 года.
Бесплатный доступ
В данной статье рассматриваются локально-одномерные схемы для уравнения теплопроводности с незнакоопределенным оператором в эллиптической части. Получена априорная оценка для их решения. Доказаны устойчивость и сходимость решения разностной задачи.
Локально-одномерная схема, третья краевая задача, уравнение теплопроводности, устойчивость и сходимость разностных схем.
Короткий адрес: https://sciup.org/14318336
IDR: 14318336
Текст научной статьи Локально-одномерная схема для уравнения теплопроводности с краевыми условиями третьего рода
1. Локально-одномерная разностная схема
В цилиндре Q t = G х (0, T] , основанием которого является прямоугольный паралле-
лепипед G = { x = (x 1 , x 2 ,..., x p ) : 0 < x a < ' a , задачу:
а = 1, 2,..., р } с границей Г , рассмотрим
где
I
|u = Lu + f( x,t ), k a (x, t) dx a = в - а (х, t) u(x, t)
(x,t) G Q t ,
^ - a (x,t),
- k a (x,t) dX a = e + a (x,t) u(x,t) - ^ + a (x,t), u(x, 0) = U o (x),
xa = 0, xa — 'a,
p
Lu = У^ L a u, L a u =
q a (x,t)u,
k a (x,t) , q a (x,t) , f(x,t) , e ± a (x,t) — заданные функции x и t такие, что
0 < co 6 ka (x,t) 6 ci, |qa |, |e±a | 6 C2, ka(x,t) G C 3,1(Q T), qa(x,t),f (x,t) G C 2,1((Q T), а = 1, 2,...,p, где Qt = G х [0,T], G = G + Г, Cm,n — класс функций, непрерывных вместе со своими частными производными порядков m и n по x и по t соответственно. Такие несколько завышенные условия гладкости потребуются при построении разностной схемы второго порядка аппроксимации.
(с) 2011 Баззаев А. К.
Задача (1)-(3) рассматривалась в работе [1] в случае, когда q a > q * > 0 , P ± a > 0 , в - а +в + a > 0 , а = 1, 2,... ,p . А в работах [2] и [3] рассматривались локально-одномерные схемы (ЛОС) для нагруженного уравнения теплопроводности и для уравнения диффузии дробного порядка соответственно.
Пространственную сетку выберем равномерной по каждому направлению Ox α с шагом h a = ' a /N a , а = 1, 2,...,p .
Ш а — {x a — ia h a • i a — 0 , 1, • • • , N a }, D h — Y Y D a , a =1
p
Da ^xa iaha • ia 1,... , Na 1 J*, ^h Y | Da a=1
~ α
hα, ha/2,
i a = 1, 2,...,N a - 1, i a = 0, N a ,
ω α — множество внутренних по отдельному направлению x α узлов, γ α — множество граничных по отдельному направлению X a узлов, O a — множество всех внутренних и граничных по отдельному направлению x α узлов, ω h — множество всех внутренних узлов, Ш h — множество всех внутренних и граничных узлов (по всем направлениям вместе).
На отрезке [0,T] также введем равномерную сетку о т = { t j = jT, j = 0,1,...,j o } с шагом т = T/j o . Каждый из отрезков [t j ,t j +i ] разобьем на p частей, введя точки t j + 2 = t j + с т , а = 1, 2,... ,p — 1 , и обозначим A a = (t j + a - 1 , t j + 2] , а = 1, 2,...,p .
Уравнение (1) перепишем в виде
p
£ PaU = 0, a=1
„ 1 du P P P
PaU =- —: - LaU — fa, fa = f pdt a=i
Будем последовательно решать задачи [6]
1 dv ( a ) , P „ . X
P a v ( a ) p dt L a v ( a ) f a 0, t € A a , а 1, 2, . . . , p,
I
ka dxa e—av(a) Ц-a, i dv(a) __ п kKa dxa = P+av(a) — P+a,
xa = 0, xa — 'a,
полагая при этом
V (1) (x, 0) = u o (x),
v ( a )
x , t j + 2 — 1 ) v ( a - 1)
; j + ^ ) ,
а = 2, 3,... ,p,
" j + 2 - 1 ,t j + 2]
луинтервале
j + a j + a — 1
yJ P — yJ P
τ
= Л a У j + p + P c + P ,
а = 1, 2,... ,p,
ЛСУ — (aayXa )Xa day, где коэффициенты aα — сеточные функции, которые выбираются из условий второго порядка аппроксимации на равномерной сетке. Можно использовать следующую аппроксимацию коэффициентов ka(x,t) [6]:
a a = k a (x i , • • •
X a - 1 , X a
0•5 h a , x a +l ix p it), t — t j +1 / 2 •
К уравнению (7) надо присоединить граничные и начальные условия. Запишем раз- ностный аналог для граничных условий (5):
j+a j+a a ")УхаО = в-аУо - P-a, xa = 0, л j +a j +a (8)
_- a " y x a N a = e + a y N a P - Ц + a , x a = ' a •
Условия (8) имеют порядок аппроксимации O(h a ) . Повысим порядок аппроксимации до
O(h a ) на решениях уравнения (4) при каком-либо а [7]:
м л j + а j + а .
a “ v ( a ) X a , 0 = 5 a v ( a ) , 0 — p - a + O (h a );
a° - ) =k ( a > = k + . h ^ +k- hi+ O(h a );
"^ -"^ = *W.,0 = v(a) + v"a) hY + O(ha); a(1°)v(a)x„ ,0 = k(a)v(a),0 + (k(a) v(a) )' hf + O(ha)S j +a
k (,) v ( a ) = a (1 - ) v ( a )X„0 - 0.5h a k ■ v^) 0 + O(h a )
j + a
∂vp p da + qav(a) - fa^+ O(ha),
„0 . = d V ( a l „00 . = d 2 v (a) k 0 = 8кИ k = дЧИ
( a ) 8x a , ( a ) dxO. , dx a , dx ^, .
Итак, j+a j+a j+a
a (1 a ) V ( a ) x a , 0 - 0.5h a I v ( a ) t p + q a V ( a ) - f a = e - a V ( a )f0 - ^ — a + O(h a ) + O(h a T )•
Отбросив величины порядка малости 0(^ 2 0 ) и O(h a т ) и заменив V ( a ) на у , перепишем (9) в следующем виде:
j + a j + а j + а
О-МУха0 - 0^5hay;-,0 p = e-ay0 p - ^-a — 0^5hafa,0, Xa = 0, или
j + , Ую p
a ) j+a а (1 а ) У х„ 0
-
- j+a в-a У0 p
0^5h a
+ ^ - a ,
x a = 0,
P — a = ^-T" + f a, 0 , в - a = в - a + 0^5h a d ^ •
0•5h a
Аналогично при xa = 'a имеем j+ P j+P j + P _ a( У-«К + e+ayNa , _ ytNa = 0Ж + P+ai где p+a = 0^+p + fa,Na, f^+a = в+a + 0^5had^a")
Итак, получили разностный аналог задачи (4)–(6):
y
j + a p
_
t
Л ( а ) y j + p + 3 p
y
3+a p t,0
a (1 a )
j+a y XaO
j + a N
a = 1, 2,... ,p, xa G wa, xa — 0, xa — 'a,
α
3 j + p в - а у 0
_
0 . 5 h a
a (Na)
-
y
α jp
x a ,Na
+ p - a ,
j+ a + e +a y N a P
0 . 5 h a
+ p + a ,
y(x, 0) — u o (x)
или в краткой записи ytta) — Л a y^ +$a+ P , a — 1, 2,...,p, x G Wh, y(x, 0) — uo(x),
где
A a y ( a ) —
A a y ( a )
Л - y ( a )
A+y ( a )
Ф
3+ a p α
(aay^A - da y(a), xα n (1a)7/a) _t 7/(p)
a y xa,0 e -P y 0
0 . 5 h a ,
- a (N“ + в +« У^ 0 . 5 h a
3 + p
^ a , x a G W a ,
< p-a, Xa — 0, p+a, xa — 'a •
xα ∈ ωα, xa — 0, xa — 'a,
z j + p
-
j + 2 - 1 z p
τ
— K a Zj + p + j p ,
j+p j+a j+a где ^a p — AauJ p + ^ p
-
u j + p
-
a - 1 u j + p
Обозначая
τ
◦ ψ α
L a u + f a
1 du V+ 1 p ∂t
o j + a ◦ *
и замечая, что J2a =l ^ a — 0 , если J2a =l f a — f , представим ^ a — ^ a p — ^ a + ^ a . Тогда
ψ
j+a p α
— A a U j + p + ^ a p
-
u j+ p
-
j + 3— 1 u p
τ
◦◦
+ ^ a — ^ a
◦
— ^ a +
A a u j + p
— L a U 3^ 2 ) + (^ ja + p — f 3a+ 1 ) —
u j+ p
-
3 + 3— 1 u p
-
τ
1 / du V+ 2 p ∂t
◦ *
— ^ a + ^ a
Г X j + а где фа = Ла u p
- L a u j + 1 ) + ( j p - f j 1 )
-
u j+αp
j + α - 1 u p
τ
1 ( ddu ) j + 2
Очевидно, что ф: = o(i).
ФГ = O(h2 + T), pp ф = Ефа = Еф: = о (ihi2+E а=1 а=1
Запишем граничное условие при x a = 0 следующим образом:
0.5^у - а ) = a (1 a ) y Xa ) - в - а У о + 0.5haf a, c + Ц - а . t α,0
Пусть z j + p = y j+ p - u j+ p , где u — решение исходной задачи (1)-(3). Подставим y j+ p = z j p + u j+ p в (11). Тогда получим
0.5h a z - + p = а а 1 а - 0.5h a d a о u j p |
A j + a j + a j + a j + a ) Z xa P 0 - в - а Z 0 p - 0.5h a d a, 0 z 0 p - в - а ^ о p - 0.5h a u - + a + а а 1 а ) u^ + 0.5h a f a, о + Ц - а . |
К правой части полученного выражения добавим и вычтем
Тогда
Ф - а
О
0.5ha ф - а = 0.5h a
∂ ∂x α
∂u k α
∂x α
- q a u + f a
j + a\ x j + a j + a
= 0.5ha f a - u - P + a u - в - а ^ о p -
- 0.5h a
∂ ∂x α

1 dul j+ 1
p dt] о
0.5 hctda, 0 U 0 p + Ц - а
„ 1 dul j +2 , О
- qctu + fa---777 + 0.5ha ф-а p ∂t
j + a\ j + a
= 0.5ha f a - u - p + a'. ) u X a,P
j +
- в - a u о
- O.5hctd a, оUо p + Ц - а
- 0.5h a
∂ ∂u
k
∂x ∂x α
" j + 2 /
- 0.5ha f a
j + a \ j + a , , О
- u - p ) + 0.5haqau o p + O(hctT )+0.5ha ф -а
/1 \ j + a j + a
= a ( a 1 a u x a,0 - в - a U 0 p + Ц - а - 0.5h a
k α
du j + p ∂x α
∂
+ 0.5ha7:--
∂x α
/ o \ j + a
∂u p kα
∂x α
∂ ∂x α
∂u
"a 77
∂x α
1 j + 1
О
+ 0.5ha ф - а +O(haT )
j +
- в - a u 0
+ Ц - а
-
α
n d Л du v+ p 0.5ha-— катт— ∂x ∂x α
+ 0.5ha Ф - а +O(h 2 ) + O(h«T ) =

du j+ p ∂x α
j +
- в - a u о
+ Ц - а
X a =0
+ 0.5ha ф - а +O(h«T )+ O(h 2 ).
В силу граничных условий (2) выражение, стоящее в квадратных скобках, есть нуль.
Поэтому Ф - а = 0.5ha Ф - а +ф - а , Ф - а = O(h 2 + T ) + O(haT ).
Итак, j+а (л A j +а - j+а О .
0.5haz t, 0 p = a£ 1 a ) z X a , 0 - в - а z 0 p + 0.5ha Ф - а +Ф - а .
Или j +a X, a zt,0 p =Aaz p + ф-a, Ф-а = Ф-а -05^- *
Аналогично при xa = 'a имеем j+a j+a p p ziNa = ЛХ + Ф+а, ф+а = ф+а ■ 0^ *
3. Априорная оценка
Умножив уравнение (10) скалярно на y j + p = y ( a ) , получим
[yia),y(a^ - [Лay(a),y(a)] = [ф(а),у(а)] , где p Nα
[u,v] = У^ UvH, H = Ц ~ a , [u,v] a = 5 " /.. V i a ~ a *
x E H h a =1 i a =0
Преобразуем каждое слагаемое тождества (14):
' ] =2' H L , < » h ) ) i +T ■ H L , ( » h > ;
[Л a y ( a ) ,y ( a ) ] a = (Л а У ( а ) ,y ( a ) ) a +Л — у О а ) у ( а ) ~a + Л + у ^0^ y^ ~ a
= (U e y / a ) ,y ( a ) ) - (4 * “ Va ) ,y ( a ) ) +Л — У ( а ) .y ° ~ a +Л + y (a) y N ~ a xα α α
= (п -1.2 ] ((7(i“)?/(a) ?/a)) a(Na)u- м ?/a) о(1а)?у ?/a)
a O ,y i a^ ^da У ,У J + a a y X a ,N a y N a a a у Х а,0 У 0
-
+ а а 1а) у Х 0 ) о y 0 a ) — /3 - a y 0 a ) y 0 a ) - a aN a ) y X a ) ,N a y N - e + a (y N )
-
= - ( aa.y i a ] a - (da i " ) y ( a ) , y ( a ) ) a - e - a (y 0 a ) ) - e + a (y ( N ) )
- O.bh^y ( 0a) - O.bM N ^N o )
-
— _ fa y2 1 _ [ 4( i a )y( a ) y( a ) ] _ 4 (y( a ))2_ 4, (y( a ))2
-
= a-ciy У а aJa det y ,y Ja P- a ^y 0 J P + a y y NaJ "
[ф ( a ) y(a )] — L( a ) y(a ) ] + и y(a ) + и , y(a )
-
L ^ , y -la = L^ , y _| a + ^ - a y 0 + ^ + a y N a *
Просуммировав (16) и (17) по всем i s = i a , s = 1, 2, * * *,p , получаем
N
[Лa y ( a ) ,y ( a )] = У2 I 52Л a y ( a ) y ( a ) ~ a 1 H/ ~a i s = i a i a —0 /
-
= - X f( a« , y X a 1 a + [ d ( i a ) y (a) ,y ( a ) ] a + e - a (y ( a ) | i a =0 ) 2 i s = i a
+e + a (y ( a ) | i a = N a )2} H/~ a ,
[ ф ( о ) ,y ( a ) ] = X Q^ ( a ) ,y ( a ) ] a + ^ - a y ( a ) | i =0 + ^ + a y ( a ) | i = N K/ ~ a * i s = i
Подставляя (15), (18) и (19) в тождество (14), получаем
(l | y ( a ) L( .h )) t + т “ye ( -» +c o l l y X a ) l lL. 2 ( =>h )
6 [^ ,y ( a ) ] + X : ■ • ' . + ■' ) H -
i s _ i a
-hda y^ ] - X (e-a(y(a)|ia=o) + e+a(y(a)La=Na) )H/~a • is _ia
Оценим слагаемые, стоящие в правой части (20):
,y ( a ) ] 6 2 pa ) | |
L 2 ( - h )
+2 |y ( a ) lU
X f^ - a y ( a ) | . _o + ^ + a y ( a ) | . _ N p/ ~ a i s _ i a
/ X f^ — a I ^ + a , (уН l i a _o ) 2 , (yH l i a N a ) 2 \
6 2 +2+2)H/~a is _ia
6 2 X (^ a Ct j ) + ^ + a ( t j ^HA a i s _ i a
+ XElAlL,+(r+1 )l|y ( a )L ,)h/ ~ "
II L2(a) у'a E/ II llL2(a)/ is _ia
= | X (^At j ) + ^ + a (t j ) } H/~^ a + еЦу Х^ | 1 ( ^T + 1 )l 1 y ( a ) | 1 J
2 IIL 2 ( - h ) \'a E/И IIL 2 ( - h )
i s _ i a
- [d a y ( a ) ,y ( a )] 6 C 2 1 1y ( a ) 1 1 ;
L 2 ( - h )
- X ( в - а ( y ( a ) | i a _o ) + в + а ( y ( a ) La _ N a ) ) H/ ~ a i s _ i a
2C 2 ||y (" 11
L 2 ( - h )
+ 2c2< 1 + 1) ! | y( a ) 1 1 2( , V 'a E у W llL 2 ( - h )
где k^k L 2 ( a ) означает, что норма берется по переменной x a при фиксированных значениях остальных переменных,
11 уХа 11
L 2 ( - h )
= Е 1 1 уХ? 1 1 i s _ i a
H/~ α ,
L 2 ( a )
l 1 У Х “ । 1 L 2 ( a )
N α
= EyX a ~ a . i a _ l
Подставляя неравенства (21) и (22) в (20), находим

+ C 0
1 1^
' a + e)
t
11 Уха 11
L 2 ( - h )
1 k(a)||2
2 11 W 11 L 2 ( - h )
+(2 +
+ C 2 + 2C 2
1 1
' a + e
L 2 ( - h )
+ (2 c 2 + 1) e 1 1 y X a 1 1 + 9 X (^ 2 a (t j )+ ^ + a (t j )) H/ ~ a
L 2 ( - h ) 2
i s _ i a
Положим
— co e = 2(1 +2C2),
c 3 — ~ + c 2 + ( T1) (1 + 2c 2 )- 2 \ 'Ct ^ )
Тогда неравенство (23) можно переписать в виде j+ al I2 II j+ — I I2 I co II (a) II2
fly p ) - lly p L■т fly * * IL^
6 iUlL" >+ c 3 T I ly^ 'IlL- >+ T X , p 2 " + ^ + a )H/ ~« •
2 11 IIL2 ( ^ h) II HL2 ( ^ h) 2
i s = i a
Просуммируем (24) сначала по a — 1, 2, • • •, p :
pp
11 y j +1 11 L 2 (.,) + f т X 1 1 y£ ) 1 1 611 y 11 2 . . + C 3 т E11 y ( a ) 1 1 L 2
a=1
pp
+ iXll^ 11 Ll- , + ТЕ E( ^ - a + 2. » ~. ,
2 ' II IIL2(..) 2' “ a=1 a=1 is=ia а затем по j' от 0 до j:
jp0α fl yj+4U) + co X т XI j7 I II j0=" a=1
jpjp
6 11У 0 lU > + C 3 X Т X | j ' 1 1 l (й) + 2 X Т X | И+ ' 1 1 l (ЗД (25)
j0=o a=1 2V h) j0=o a=1
+ 12 X Т X X (^ 2 - a (tj-)+ ^ + a (t , 0 )W~ a .
j 0 =o a =1 i s = i a
Из (25), пользуясь дискретным аналогом леммы Гронуолла (см. [4, с. 171]) при малых т 6 To, находим требуемую оценку jp jp
11 y j +1 ll L 2 ( . h ) + X т X| | j p 11 L (Зд 6 M 11 y " 11 L 2 (* h ) + X т X| | j p| I L j 0 =o a =1 2 h j 0 =o a =1 2 h
jp
+ E т££ (^ 2 a (t j 0)+ ^ + a (t j 0))H/~ a , j 0 = o a = 1 i s = i a 2
где M зависит от размерности области.
-
4. Сходимость ЛОС
По аналогии с [5, с. 528] представим решение задачи для погрешности z j + p :
Z*a) —ЛaZ(a) +Ф'а+ p , где
Л а
Л а , x a ^ ^ a ,
Л a , x a 0,
Л+, X a — ' a ,
j + a ^ a p
ψ α ,
^ - a ,
^ + a ,
x α ∈ ω α , x a — 0, x a — ' a ,
0*0
^ a — ^ a + ^ a , ^ a
*
O(1), ^ a — O(h a + т ),
Ф - а
= Ф - а +
ψ
, *
-
α
0.5h a ,
ф + а
- ° + Ф+ а
= Ф + а +0.5h a ,
Ф ± а = O(h l ) + O(h a T ), X Ф ± а = 0, а =1
в виде суммы z ( а ) = v ( а ) + П ( а ) , Z ( а ) = z j + p , где П ( а ) определяется условиями
( Д—/ = ф . , x е + Y а , а = 1, 2,... ,p, (n(x, 0) = 0,
°
Ф а
Ф а ,
Ф - а ,
Ф + ° а ,
x α ∈ ω α ,
Х а = 0,
Х а — 'а *
Из (27) следует, что n j+1 = П ( Р ) = n j + т Ф 1 ° + Ф 2 ° + ... + ф р ° J = n j = - - - = П 0 = 0. Функция V ( а ) определяется условиями
V(а) , =ЛаV(а) +Фа, Фа = ЛаП(а) + Фа, Ха G Ша,(28)
=Л-V(а) +Ф-а, Ф-а = Л-П(а) + Ф^/, Ха = 0,(29)
Т 0•5h
=Л+v(а) +Ф+а, Ф+а = Л+п(а) + ,.,', Ха = 'а,(30)
Т 0•5h
v(x, 0) = 0.(31)
Решение задачи (28)–(31) оценим с помощью оценки (26)
jp
Е тЕИ$ . « L , Ph )
j 0 =0 а =1
j p 0 α
H v j +i H 2 + у т У ^ v j + p || 2
" " L2 '^ ) фф ^ И x a H L 2 ( ^ h )
j 0 =0 а =1
jp
+ Е т£ £ (Ф 2 а (t j 0 )+Ф + а (t j 0 )) Н/~ а j 0 = 0 а = 1 i Y = i a
где
*
Ф - а = Ф а + а а 1а ) (П ( а ) ) х „ - в - а П ( а ) , 0 - d ^ П ( а ) , 0 = О ( Ь-а + т ), x α,0
*
Ф + а = Ф а - а (а а) (П ( а ) ) х „ - в + а П ( а№ - d^ n ( а ) ,N a = О ^ ^ а + т )- α,Nα
Так как n j = 0 , П ( а ) = О(т) , k z j k 6 k v j k , то из оценки (32) следует следующая
Теорема. Пусть задача (1)-(3) имеет единственное непрерывное в Qt решение u(x, t) 2 4 3 ∂2 f и существуют непрерывные в Qt производные ddtu, dXOUxV, d^Xaudi, dxff, 1 6 a, v 6 p. Тогда разностная схема (10) сходится со скоростью O(|h|2 + т), так что
|| y j +1 - u j +1 « 1 6 M ( | h | 2 + т ), | h | 2 = ~ 1 + ~ 2 + ... + ~p,
где
j p 0 α
|yj+1K = |yj+1|L1(ih) + У т У |yia+ P И j0=0 а=1
.
L , ( ^ h )
Список литературы Локально-одномерная схема для уравнения теплопроводности с краевыми условиями третьего рода
- Фрязинов И. В. О разностной аппроксимации граничных условий для третьей краевой задачи//Журн. вычислит. мат. и мат. физ.-1964.-Т. 4.-С. 1106-1112.
- Шхануков-Лафишев М. Х. Локально-одномерная схема для нагруженного уравнения теплопроводности с краевыми условиями III рода//Журн. вычислит. мат. и мат. физ.-2009.-Т. 49.-С. 1223-1231.
- Лафишева М. М., Шхануков-Лафишев М. Х. Локально-одномерная схема для уравнения диффузии дробного порядка//Журн. вычислит. мат. и мат. физ.-2008.-Т. 48, №10.-С. 1878-1887.
- Самарский А. А., Гулин А. В. Устойчивость разностных схем.-М.: Наука, 1973.-416 с.
- Самарский А. А. Теория разностных схем.-М.: Наука, 1977.-656 с.
- Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Аддитивные схемы для задач математической физики.-М.: Наука, 2001.-320 с.
- Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача.-М.: Едиториал УРСС, 2003.-784 с.