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   |   УДК: 519.633

Local one-dimensional scheme for the third boundary value problem for the heat equation

In this paper we study the third boundary value problem for the heat equation with variable coefficients. By the method of energy inequalities, we find a priori estimate for difference problem. Stability and convergence of local one-dimensional schemes for the considered equation are proved.

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 + 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

05 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 );

- ) =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

/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 - 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 - 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 > ;

a y ( a ) ,y ( a ) ] a = (Л а У ( а ) ,y ( a ) ) a 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 + 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 "

( 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( , 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£ £ 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 ) ( 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) ( 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.