18532

Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними в системі MATHCAD

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними в системі MATHCAD. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 3 з курсу: €œМатематичне моделювання в САПР€ д

Украинкский

2013-07-08

414.5 KB

30 чел.

ат. моделювання в САПР. Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними

Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними в системі MATHCAD. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 3 з курсу: “Математичне моделювання в САПР” для студентів базового напрямку 6.0804 “Комп’ютерні науки”.


1.
МЕТА РОБОТИ

Ознайомитися з основними функціями системи MATHCAD для дослідження математичних моделей у формі крайових задач для диференціальних рівнянь з частинними похідними.

2.ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

2.1. ПОНЯТТЯ ПРО КРАЙОВІ ЗАДАЧІ, ПОЧАТКОВІ ТА ГРАНИЧНІ УМОВИ.

Більшість фізичних та науково-технічних задач зводиться до знаходження розв’язків диференціальних рівнянь з частинними похідними. Важливий клас диференціальних рівнянь з частинними похідними складають лінійні рівняння другого порядку з  незалежними змінними, які у загальному випадку можна записати наступним чином:

. (1)

Найбільш поширеними частковими випадками рівняння (1) є: рівняння коливань, рівняння дифузії та стаціонарні рівняння.

Рівняння коливань має вигляд:

,   (2)

де невідома функція  залежить від просторових координат  і часу , коефіцієнти  визначаються властивостями середовища, в якому відбувається коливальний процес,  функція  виражає інтенсивність зовнішніх впливів, , . Рівняння (2) описує такі фізичні процеси як коливання струни, мембрани, тривимірних тіл, електромагнітні коливання і т.д. З рівняння (2), як частковий випадок, можна отримати класичне хвильове рівняння:

,  (3)

яке описує процеси поширення звуку та електромагнітних хвиль в однорідному середовищі. У двовимірному випадку хвильове рівняння (3) описує малі поперечні коливання мембрани, а в одновимірному  - такі фізичні процеси, як поперечні коливання струни та повздовжні коливання пружного стержня. Ввівши оператор Лапласа

хвильове рівняння (3) можна записати так

.      (4)

Рівняння дифузії

  (5)

описує процеси поширення тепла або дифузії частинок у деякому середовищі, яке характеризується функціями . Як частковий випадок, з рівняння (5) можна отримати класичне рівняння теплопровідності

,   (6)

де - питома теплоємність, -густина, - коефіцієнт теплопровідності середовища, в якому відбувається процес поширення тепла, - інтенсивність внутрішніх джерел тепла. Якщо середовище є ізотропним, тобто  - константи, то з рівняння (6) отримаємо

,     (7)

де  називається коефіцієнтом температуропровідності,  - густина джерел тепла. Якщо внутрішні джерела тепла відсутні, тобто , то з рівняння (7) отримаємо класичне рівняння Фур’є

.             (8)

Стаціонарні рівняння описують усталені процеси, в яких величини, що характеризують їх не залежать від часу. Тоді рівняння коливань (2) та дифузії (5) будуть мати вигляд:

.    (9)

При  і  рівняння (9) набуває вигляду

,      (10)

і називається рівнянням Пуасона, а при  отримуємо частковий випадок рівняння Пуасона, а саме рівняння Лапласа

.      (11)

Для того, щоб повністю описати той чи інший фізичний процес не достатньо мати лише рівняння, яке описує цей процес. Необхідно задати також початковий стан процесу, який описується початковими умовами та режим процесу на границі області, в якій протікає цей процес, що описується граничними умовами. Математично це пов’язано з тим, що диференціальні рівняння мають безліч розв’язків. Дійсно, навіть для звичайного диференціального рівняння -го порядку загальний розв’язок залежить від  довільних сталих. Для рівнянь з частковими похідними, загальний розв’язок залежить, в загальному випадку, від довільних функцій. Тому, для того, щоб виділити потрібний розв’язок з множини можливих розв’язків, який описує заданий реальний фізичний процес, необхідно задати додаткові умови, а саме початкові та граничні умови. Часто початкові та граничні умови об’єднують одним поняттям, а саме крайовими умовами. Тоді відповідна задача, тобто задача знаходження розв’язку заданого диференціального рівняння, який задовільняє заданим крайовим умовам, називається крайовою задачею.

Важливим питанням є скільки початкових та граничних умов потрібно накласти, щоб отримати єдиний розв’язок крайової задачі? Якщо в диференціальне рівняння входить похідна по часу -го порядку, то початкових умов має бути  і задаються вони на шукану функцію та її похідні по часу до  порядку включно. Найвищий порядок похідної за просторовими координатами визначає кількість граничних умов, які потрібно задати в кожній точці границі. Так, якщо цей порядок рівний , то в кожній точці границі необхідно задати  граничних умов. Розрізняють три типи граничних умов:

гранична умова І роду:

     (12)

гранична умова ІІ роду:

     (13)

гранична умова ІІІ роду:

         (14)

Узагальнюючи, граничні умови (12-14) можна записати наступним чином:

       (15)

де  і  - задані кусково-неперервні функції. Тоді умова (12) слідує з (15) як частковий випадок при  умова (13) – при  і умова (14) – при .

Розрізняють три основних типи  крайових задач для диференціальних рівнянь:

  •  Задача Коші: ставиться для рівнянь коливань та дифузії шляхом задання початкових умов, граничні умови відсутні;
  •  Крайова задача для стаціонарних рівнянь: задаються граничні умови, початкові умови відсутні;
  •  Змішана задача (початково-крайова задача): ставиться для рівнянь коливань та дифузії шляхом задання як початкових, так і граничних умов.

2.2. ФУНКЦІЇ MATHCAD РОЗВ’ЯЗАННЯ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ ДЛЯ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИХ РІВНЯНЬ З ЧАСТИННИМИ ПОХІДНИМИ

На відміну від звичайних диференціальних рівнянь, для розв’язання яких в системі MATHCAD передбачено більше десятка різноманітних функцій для різних типів рівнянь, існує лише дві функції, які дозволяють отримати розв’язок деяких диференціальних рівнянь з частинними похідними. Цими рівняннями є класичні рівняння Лапласа та рівняння Пуасона. Більше того, ці функції працюють тільки для областей квадратної форми і дозволяють задавати лише граничні умови I роду. Такий обмежений набір вбудованих функцій MATHCAD розв’язання крайових задач для рівнянь з частинними похідними зумовлений, по-перше, складністю розв’язання задач такого роду, а, по-друге, відсутністю уніфікованого підходу, який би враховував всі специфічні особливості, які виникають під час розв’язання конкретних крайових задач з різними граничними умовами в областях складної геометричної форми.

Для розв’язання крайової задачі для рівняння Пуасона з нульовими граничними умовами I роду використовується функція multigrid. Для ілюстрації синтаксису та правил використання даної функції розглянемо  класичну задачу знаходження температурного розподілу в квадратній області при заданих внутрішніх джерелах тепла та нульовій температурі на границі області. Математична формалізація (постановка) такої задачі буде мати вигляд: знайти функцію , яка задовільняє рівняння

в області

та граничну умову  , де функція  задає розподіл внутрішніх джерел тепла,  - границя квадратної області.

На рис.1 зображено документ MATHCAD, який містить програму розв’язання вказаної крайової задачі за допомогою функції multigrid  при заданому джерелі тепла інтенсивності  в центрі області.  Розглянемо його детальніше.

Рис.1. Приклад використання функції multigrid

Функція multigrid будує розв’язок першої крайової задачі для рівняння Пуасона на основі методу скінченних різниць. Даний метод базується на дискретизації вихідної області (яка у нашому випадку має форму квадрата), тобто покритті області множиною вузлів, і заміні частинних похідних на скінченно-різницеві співвідношення у цих вузлах. Тоді розв’язання вихідної крайової задачі методом скінченних різниць полягає в знаходженні таблиці значень шуканої функції  в заданих вузлах сітки. Спосіб побудови сітки залежить від геометрії області, для областей простої форми найчастіше вузли отримуються як точки перетину прямих, паралельних координатним осям. Тому спочатку потрібно задати кількість  цих прямих, що автоматично означатиме покриття області моделювання сіткою з  вузлів. Оскільки вхідними даними для заданої крайової задачі є лише функція внутрішніх джерел тепла, то нам потрібно у кожному внутрішньому вузлі сітки задати значення цієї функції. Для прикладу, нехай джерела тепла знаходяться у центрі квадратної області. Це означає, що нам потрібно правильно визначити позицію джерел тепла, яка задається індексами матриці  задання джерел тепла . У нашому випадку достатньо  задати два індекси, які будуть мати значення . Після цього залишається записати у відповідні елементи матриці  значення інтенсивності джерел тепла і задати цю матрицю як перший аргумент при виклику функції multigrid.

3.КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

  1.  Які типи диференціальних рівнянь з частинними похідними другого порядку Ви знаєте?
  2.  Що таке граничні умови? Які є типи граничних умов?
  3.  Що таке крайова задача? Як формулюються основні типи крайових задач для диференціальних рівнянь?
  4.  Які функції системи MATHCAD використовуються для розв’язання крайових задач для диференціальних рівнянь з частинними похідними? Які обмеження на них накладаються?

4.ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ

  1.  Ознайомитися з основними рівняннями для моделювання на компонентному рівні та відповідними функціями MATHCAD.
  2.  Знайти, використовуючи відповідну функцію MATHCAD, розв’язок рівняння Пуассона  у квадратній області розміру  (індивідуальні завдання наведені в Додатку). Дослідити збіжність числового розв’язку при згущенні сітки.
  3.  Побудувати 3D графіки отриманого розв’язку та заданого точного розв’язку , а також лінії рівня в обох випадках. 
  4.  Оформити і здати звіт про виконання лабораторної роботи.

5.ЗМІСТ ЗВІТУ

  1.  Мета роботи.
  2.  Короткі теоретичні відомості.
  3.  Постановка задачі індивідуального завдання.
  4.  Оформлений належним чином (з коментарями, поясненнями та результатами) документ MATHCAD з програмою розв’язання завдання.
  5.  Аналіз результатів та висновки.

6.СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

  1.  В.Дьяконов. MATHCAD 8/2000: специальный справочник. – СПб: Питер,2001. -592 с.
  2.  Е. Макаров. Инженерные расчеты в MATHCAD. – СПб: Питер, 2002. -386 с.
  3.  http://www.mathcad.com.

ДОДАТОК

Знайти, використовуючи відповідну функцію MATHCAD, розв’язок рівняння Пуассона

у квадратній області розміру . Побудувати 3D графіки отриманого розв’язку та заданого точного розв’язку , а також лінії рівня в обох випадках. Дослідити збіжність числового розв’язку при згущенні сітки.

№ з/п

1

2

2

0.5

3

1

4

5

4

6

4

1.5

7

1

8

3

9

0

2

10

11

2

12

1

13

4

1.5

14

15

2

3

16

2

17

1

18

9

19

-2

2.5

20

21

1.5

22

1

23

2

24

25

-2

0.5

26

27

1

28

3

29


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42774. Проектирование системы теплоснабжения промышленного предприятия 219.1 KB
  Определение количества теплоты на подогрев воды для горячего водоснабжения Выбор основного и вспомогательного оборудования системы транспорта теплоты Выбор основного и вспомогательного оборудования источника теплоты.Определение потребности в топливе для производства теплоты.
42775. Организация работы коктейль-бара «Малибу» 804 KB
  Целью работы является рассмотрение вновь созданного коктейль - бара на 50 посадочных мест. Моему коктейль-бару я решил дать название «Малибу», так как моим основным спонсором является «Allied Distillers Limited»
42776. Компьютерная реализация решения инженерной задачи по решению дифференциальных уравнений в частных производных 1.38 MB
  Микроэлектроника является одной из наиболее динамично развивающихся и востребованных отраслей науки и техники. Элементы современных СБИС и микрооптикоэлектромеханических систем (МОЭМС) представляют собой сложные структуры, в основу функционирования которых положены разнообразные физические эффекты. Разработка подобных элементов практически невозможна без решения уравнений математической физики, представляющих
42777. Разработка технологического процесса механической обработки шкива в условиях ЗАО «МРК» 190.3 KB
  Технический прогресс в машиностроении характеризуется как улучшением конструкций машин, так и непрерывным технологии их производства. Развитие новых прогрессивных технологических процессов обработки способствует конструированию современных машин и снижению их себестоимости. Актуальной является задача повышения качества выпускаемых машин и, в первую очередь, их точности
42778. Особенности развития силовых способностей у школьников старшей возрастной группы 351.46 KB
  Динамика силовых качеств детей старшего школьного возраста под воздействием занятий физическими упражнениями. Данный режим работы мышц имеет место в силовых упражнениях с преодолением внешнего отягощения штанги гирь гантелей отягощений на блочном устройстве. Величина прикладываемой к снаряду силы при выполнении упражнения в изотоническом режиме изменяется по ходу траектории движения так как изменяются рычаги приложения силы в различных фазах движений. Упражнения со штангой или другим аналогичным снарядом с высокой скоростью...
42779. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАБОТЫ УЧАСТКОВОЙ СТАНЦИИ 364.29 KB
  Определение среднего времени нахождения на станции транзитных вагонов без переработки Среднее время нахождения на станции транзитных вагонов с переработкой Общий простой вагонов на станции Рабочий парк вагонов
42780. Организация и планирование предприятий 198.55 KB
  Обоснование выбора варианта технологического процесса Годовые фонды времени в данной работе принимаются следующие: фонд времени оборудования Фдо = 3530 ч 2 смены фонд времени производственных рабочих Фдр = 1590 ч 1 смена фонд времени вспомогательных рабочих Фдв = 1860 ч 1 смена Таблица 1 Необходимые данные для выполнения задания № п п Наименование расчётных показателей Обозначение Значение показателя 1 Норма затрат на содержание оборудования руб. Нз 640000 2 Коэффициент обслуживания рабочих мест Кобс 10 3 Средние капитальные...
42781. Розрахунок електричних навантажень силової мережі 4.67 MB
  Електроенергетичній галузі притаманні специфічні особливості, зумовлені одноманітністю вироблення і споживання енергії, надзвичайно складним технологічним циклом її одержання, необхідністю централізованого диспетчерського оперативно-технологічного керування всім комплексом у цілому, забезпечення надійності і безпеки функціонування обладнання. Все це робить енергетику надзвичайно матеріалоємною, енергоємною галуззю, з великим інвестиційним циклом і, що дуже важливо, — інтелектуально і наукоємною.
42782. Загрози національній безпеці України на сучасному етапі 72.68 KB
  Теоретичні та нормативноправові основи національної безпеки України. Основні ризики і загрози національній безпеці України. Зовнішні і внутрішні загрози національній безпеці України.