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 + 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.
Статья научная