Ustaliliśmy, że do rozwiązywania równania adwekcji lepiej nadaje się mniej dokładny schemat upwind niż ten z ilorazem centralnym a=vdt/dx upwind: centralny:

Prezentacja na temat: "Ustaliliśmy, że do rozwiązywania równania adwekcji lepiej nadaje się mniej dokładny schemat upwind niż ten z ilorazem centralnym a=vdt/dx upwind: centralny:"— Zapis prezentacji:

1 Ustaliliśmy, że do rozwiązywania równania adwekcji lepiej nadaje się mniej dokładny schemat upwind niż ten z ilorazem centralnym a=vdt/dx upwind: centralny: stabilny, stabilny bezwzględnie stabilny, ale niestabilny bezwzględnie warunek wystarczający dla stabilności bezwględnej wg.normy max: wszystkie wagi przy wartościach z poprzedniego kroku dodatnie i sumujące się do jedynki w centralnym = sumują się do jedynki, ale nie są dodatnie zastąpić średnią arytmetyczną sąsiadów

2 Ustaliliśmy, że do rozwiązywania równania adwekcji lepiej nadaje się mniej dokładny schemat upwind niż ten z ilorazem centralnym upwind: centralny: warunek wystarczający dla stabilności wg.normy max: wszystkie c dodatnie i sumują się do jedynki w centralnym = sumują się do jedynki, ale nie są dodatnie zastąpić średnią arytmetyczną sąsiadów blad w ostatnim wzorze schemat Laxa-Friedrichsa - + dla a (-1,1) spełnione WW stabilności bezwzględnej w sensie normy max

3 czy manewr ze średnią arytmetyczną nie rozspójnia metody?
Lokalny błąd przestrzenny nabiera niższego rzędu, ale metoda pozostaje spójna. Obniżamy rząd dokładności przestrzennej zyskując stabilność bezwzględną. LF zamiast czas czas położenie położenie

4 metoda Laxa-Friedrichsa : analiza von Neumanna
Kryterium CFL ! Uwaga: metoda LF jest bzwz. stabilna niezależnie od znaku v ! schemat upwind wymagał dodatniego v gdy

5 Metoda Laxa-Friedrichsa = zastosujmy
Dt=0.09 stabilna (uniknęliśmy eksplozji), ale pakiet nie zachowuje się jak powinien. niebieski z czerwonego rozpłynął się (większa szerokość kosztem wysokości) dyfuzja numeryczna

6 schemat Laxa-Wendroffa
( jawny jednopoziomowy wysokiej dokładności z ograniczoną dyfuzją numeryczną) czas (a) położenie jak zmienia się z czasem wartość rozwiązania w punkcie xj: pochodne czasowe zastępujemy przestrzennymi zgodnie z równaniem (a)

7 schemat Laxa-Wendroffa
czas (a) położenie jak zmienia się z czasem wartość rozwiązania w punkcie xj: pochodne czasowe zastępujemy przestrzennymi zgodnie z równaniem (a) następnie pochodne przestrzenne wprowadzamy centralnymi ilorazami pochodnych: błąd p: O(Dx2) mamy: O(Dx2) i O(Dt3) zamiast O(Dx) i O(Dt2) jak dla LF, lub upwind

8 Lax-Wendroff Wynik: Dt=0.09 stabilna bez widocznej dyfuzji wyższa dokładność niż wszystkie pozostałe najlepsza z jawnych metod jednopoziomowych dla równania adwekcji

9 Dyfuzja numeryczna dla jawnych schematów jednopoziomowych

10 Dx=0.1, Dt=0.04 upwind a =0.4 Dt=0.04 a=0.4 rozwiązanie u=f(x-vt)
stabilny bezwzględnie ale pakiet się rozpływa - dyfuzja numeryczna oscylacja:cos(kx)g(x), z bardzo wysokim k (faktycznie: maksymalnym k) pojawia się i eksploduje metoda z centralną pochodną przestrzenną pakiet się lokalizuje (przeciwnie do dyfuzji) za pakietem wyrasta szybka oscylacja ... która jest natychmiast wzmacniana i eksploduje Dt=0.04 a=0.4

11 centralna pochodna przestrzenna
modyfikacja Laxa-Friedrichsa stabilność, ale z numeryczną dyfuzją w bonusie

12 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych jednopoziomowych
równanie adwekcji

13 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych jednopoziomowych
równanie adwekcji wszystkie poznane schematy można uznać za przybliżenie różnicowe również równania adwekcji-dyfuzji: człon dyfuzyjny (zwany również dysypatywnym) interpretacja: składowa w rozwinięciu Fouriera zanika tym szybciej im wyższy jest wektor falowy k (tym szybciej im większa jest zmienność przestrzenna fali)

14 a=vdt/dx Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych: upwind
centralne przestrzenne ilorazy różnicowe: a czasowy przedni chcemy zrobić z tego przepisu schemat upwind: zlikwidujmy punkt j+1

15 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych upwind
centralne przestrzenne ilorazy różnicowe: a czasowy przedni chcemy zrobić z tego przepisu schemat upwind: zlikwidujmy punkt j+1 = a/2 s =Dx v / 2 współczynnik dyfuzji numerycznej = upwind wniosek 1: upwind jest spójny z równaniem adwekcji-dyfuzji ze współczynnikiem dyfuzji s =Dx v / 2 wniosek 2: dla upwind numeryczna dyfuzja jest mniej widoczna dla gęstszej siatki przestrzennej wniosek 3: dla upwind krok czasowy nie zmienia dyfuzji numerycznej

16 Dx=0.1, Dt=0.04 upwind a =0.4 Dx=0.01, Dt=0.004 upwind a =0.4
s =Dx v / 2 dla upwind wniosek 2: numeryczna dyfuzja jest mniej widoczna dla gęstszej siatki przestrzennej

17 Dx=0.1, Dt=0.04 upwind a =0.4 Dx=0.1, Dt=0.01 upwind a =0.1
s =Dx v / 2 wniosek 3: dla upwind krok czasowy nie zmienia dyfuzji numerycznej

18 s = vDx/2 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych: upwind
spójny z dwoma równaniami; s = vDx/2 adwekcji adwekcji - dyfuzji 1) czynnik dyfuzyjny: gasi wyższe składowe (k) generowane przez centralny iloraz pochodnej 2) dyfuzja jest sztuczna bo współczynnik s zależy od parametrów schematu numerycznego 3) rozwiązanie będzie dobrym przybliżeniem adwekcji, jeśli s małe metoda jest zbieżna do rozwiązania równania adwekcji – gdy obydwa kroki (czasowy i przestrzenny) schodzą do zera – znika dyfuzja numeryczna zaniedbywalność dyfuzji numerycznej: s =Dx v <<2 : wtedy gdy Dx <<2/v (mały krok przestrzenny) dodatkowo; kryterium zbieżności CFL: vDt  Dx (czasowy ma być jeszcze mniejszy)

19 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych – LF
centralny, niestabilny, ratowany uśrednieniem pierwszego wyrazu po sąsiadach LF centralne ilorazy różnicowe: LF odpowiada powyższemu schematowi jeśli ...

20 Dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych – LF
centralny, niestabilny, ratowany uśrednieniem pierwszego wyrazu po sąsiadach LF centralne ilorazy różnicowe: LF odpowiada powyższemu schematowi jeśli sDt/Dx2=1/2 LF spójna z równaniem adwekcji-dyfuzji dla s = Dx2/2Dt mała dyfuzja numeryczna; s = Dx2/2Dt << 1 Dt >> Dx2/2 ale kryterium CFL: vDt/Dx 1 Dt  Dx / v (warunek zbieżności - stabilności) warunki są przeciwstawne (ale nie sprzeczne), raczej trudne do spełnienia

21 dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych – Lax-Wendroff
a=vDt/Dx schemat LW: błąd O(Dx2), O(Dt3) [ dla por. upwind/LF –O(Dx), O(Dt2)] równanie AD

22 dyfuzja numeryczna dla schematów jawnych – Lax-Wendroff
a=vDt/Dx schemat LW: błąd O(Dx2), O(Dt3) [ dla por. upwind/LF –O(Dx), O(Dt2)] równanie AD dla LW: spójny z równaniem dyfuzji adwekcji dla a2/2=sDt/Dx2 s=v2Dt/2 s<<1 Dt Dx / v Dt<< 2/ v2 oraz CFL – dają się pogodzić dla LW w przeciwieństwie do poprzednich metod zachowanie kształtu nie wymaga drobnego Dx

23 wyznacza s: s=Dx2Dt b /2 Podsumowanie dyfuzji numerycznej:
ogólna postać jawnego schematu jednopoziomowego centralny b=0, s=0 LW b=a2, s=v2Dt/2 LF b=1, s=Dx2/2Dt upwind b=a, s=vDx/2 wyznacza s: s=Dx2Dt b /2 Wniosek: Wszystkie bezwzględnie stabilne jednokrokowe schematy różnicowe dla równania adwekcji zawierają element numerycznej dyfuzji. (centralny nie zawiera i jest bzwz niestabilny) w tym sensie: dyfuzja numeryczna wprowadza bezwzględną stabilność: zapobiega wzmacnianiu składowych o wysokich częstościach przestrzennych Schemat jest dobry jeśli możemy zminimalizować jej wpływ bez utraty stabilności. na pewno potrafimy dla upwind i LW. zobaczymy, że dla jawnego schematu dwupoziomowego możliwa jest stabilność bez dyfuzji (leapfrog)

24 współczynnik wzmocnienia w przestrzeni wektora falowego:
jak się ma częstość oscylacji przestrzennych do współczynnika wzmocnienia eksplozja wysokich częstości

25 współczynnik wzmocnienia w przestrzeni wektora falowego:
przerobić na kDx schemat ogólny z czynnikiem dyfuzyjnym: analiza von Neumanna: zachowanie kształtu: wymaga współczynnika wzmocnienia o module 1 dla każdego k

26 |Mk| 1 dyfuzja numeryczna w przestrzeni k Mk
idealnie (dokładnie) centralny LW upwind LF kDx (zakres małych wartości) centralny=wzmacnia wszystkie mody im wyższy tym silniej (stąd bzwz niestabilność) pozostałe = gaszą wyższe częstości rozpływa się pakiet

27 dyspersja numeryczna:
prędkość fazowa dla rozwiązania dokładnego prędkość fazowa v jest niezależna od k v(k) = relacja dyspersji. równanie adwekcji nie zawiera dyspersji (podobnie jak liniowe równanie falowe) dlatego kształt pakietu pozostaje zachowany. Schematy różnicowe odznaczają się jednak dyspersją numeryczną: gdy v maleje z k zobaczymy że składowe szybkozmienne poruszać się będą wolniej:

28 dyspersja numeryczna a schematy różnicowe dla równania adwekcji:
Im q Re numeryczna prędkość fazowa: wysupłać z t=nDt

29 vk/v f / p relacja dyspersji numerycznej dla schematów różnicowych
rozwinięcie Taylora arctan(x)=x+... podobnie sinus: 1/k ulegnie skasowaniu 1 . 2 lf vk/v 1 . lw . 8 różnicowa forma równania wprowadza dyspersję do rozwiązania . 6 Euler, centralny . 4 . . 5 . 1 . 1 5 . 2 . 2 5 kDx f / p wyższe składowe spóźniają się

30 schemat przedni Eulera dla
równania adwekcji: składowe przestrzenne o wyższych częstościach są najszybciej wzmacniane (odwrotność dyfuzji) 2) i spóźniają się za pakietem

31 metoda żabiego skoku (leapfrog): najprostszy schemat dwupoziomowy:
równanie adwekcji metoda żabiego skoku (leapfrog): najprostszy schemat dwupoziomowy: centralne ilorazy na obydwie strony dotychczas, używaliśmy przedni czasowy O(Dt3,Dx2) błąd lokalny jak LW t uwaga: nie jest samostartujący warunek początkowy to zbyt mało konieczne użycie innego schematu na początku symulacji x

32 x czas Weźmy Dx=0.1 równanie adwekcji Leapfrog Kryterium CFL: numeryczna DOD, musi obejmować DOD fizyczną vDt<Dx (v=1) a=0.9 a=2 x czas niestabilny kończy się eksplozją tw Laxa: WKW zbieżności spójnego schematu jest jego stabilność

33 Analiza von Neumanna dla schematu dwupoziomowego na przykładzie leapfrog
trudność: dla jednopoziomowych podobna analiza dawała nam współczynnik wzmocnienia modu k teraz: zaproponujemy podobne rozwiązanie w formie: równanie kwadratowe na współczynnik wzmocnienia:

34 ogólne rozwiązanie równania różnicowego- kombinacja liniowa:
zależą od warunku początkowego aby mod k nie rósł z iteracji na iterację potrzeba aby : w naszym przypadku: bierzemy a1 (bo CFL), a więc pierwiastek rzeczywisty i niezależnie od a wszystkie mody zachowują swoje amplitudy : sytuacja idealna. zachowany każdy kształt (jeśli tylko a  1)

35 niezależnie od a wszystkie mody zachowują swoje amplitudy : sytuacja idealna. zachowany każdy kształt (stabilność bez dyfuzji, nieosiągalna dla 1 poziomowych) 1 kDx leapfrog centralny LW upwind LF

36 Laboratorium: 2D pole prędkości cieczy nieściśliwej: ogólnie nabla stoi przed uV, ale dla nieściśliwej dywergencja z V=0 dla 1D: dostajemy stałą prędkość dla 2D, prędkość nie jest stałą (jak widać na rysunku) musimy policzyć Vx/Vy na starcie Leapfrog 1D: leapfrog 2D: centralne pochodne czasowe i obydwie przestrzenne: Dx warunek początkowy: przybliżenie dla drugiej chwili czasowej : słuszne gdy V prawie stałe w plamie, lub dt małe. w sytuacji ogólnej: pierwszy krok metodą jednopoziomową. druga chwila czasowa:

37 Laboratorium: 2D pole prędkości cieczy nieściśliwej: (maksymalne) (policzymy z krokiem 4 razy mniejszym od CFL) leapfrog: Dx na przeszkodzie: obydwie składowe prędkości zerowe więc stałe u (=0) w symulacjach nie widać przeszkody (żadna z linii strumienia nie kończy się na przeszkodzie) LF – centralne przestrzenne, przedni czasowy + ratunek z uśrednieniem 2Dx 2Dx zobaczymy przeszkodę (film)

38 w naszym przykładzie największa prędkość w przewężeniu,
używaliśmy: wszystkie schematy dotychczas - jawne (działające jak podstawienie) ich stabilność ogranicza kryterium CFL: a  1: vdt  dx  dt  dx / v o kroku czasowym decyduje maksymalna prędkość niech no tylko będzie w jednym punkcie bardzo wielka. w naszym przykładzie największa prędkość w przewężeniu, która nakłada najsilniejsze ograniczenie na krok czasowy.

39 Schematy niejawne: wprowadzane by o kroku czasowym decydowała tylko dokładność a nie stabilność
wsteczny Euler (prawa strona liczona w przyszłości) przedni Euler (przednia strona liczona w teraźniejszości, lub wsteczny czasowy zamiast przedniego) bezwzględnie niestabilny był czas położenie jest to układ równań na chwilę czasową n+1 (dla wszystkich j)

40 wsteczny Euler, układ równań do rozwiązania
dla wszystkich j można rozwiązać iterując do zbieżności: podstawienie Dt=0.04 iteracyjne rozwiązanie układu RL (odpowiednik iteracyjnej metody Gaussa)

41 numeryczna przeszłość (domena zależności) dla schematu niejawnego?

42 numeryczna przeszłość (domena zależności) dla schematu niejawnego?

43 numeryczna przeszłość (domena zależności) dla schematu niejawnego?

44 numeryczna przeszłość (domena zależności) dla schematu niejawnego?
cała połowa „czasoprzestrzeni” dla chwil wcześniejszych, a nawet cała teraźniejszość dla schematów niejawnych kryterium CFL zawsze spełnione! jeśli zmienimy dowolny wyraz na prawej stronie: zmienimy cały wektor rozwiązań (każdą z jego składowych) ograniczenie na krok czasowy Dt w zbieżnych metodach jawnych pochodziło od CFL. Jakie będzie dla wstecznego Eulera ?

45 nie większe od 1 dla dowolnego a
wsteczny Euler: analiza von Neumanna nie większe od 1 dla dowolnego a czyli metoda bzwz stabilna dla dowolnego Dt ! dla wstecznego Eulera: stabilność nie narzuca wymagania na krok czasowy! jako, że metoda mało dokładna i tak trzeba aby był mały, ale są lepsze metody niejawne

46 Crank-Nicolson (odpowiednik wzoru trapezów dla rrz)
Euler: w. Euler: w.trapezów:

47 Euler: lokalnie: O(Dt2,Dx2) wsteczny Euler: CN lokalnie: O(Dt3,Dx2)
można rozwiązać UR iteracyjnie (równie łatwe jak dla wst.E) Dt=0.04 czas położenie

48 schemat CN, analiza stabilności:
|Mk|=1 dla dowolnego kroku czasowego! dla leapfrog |Mk|=1 tylko dla a 1 CN świetną metodą jest: wysokiej dokładności, stabilna bezwzględnie dla dowolnego kroku czasowego, współczynnik wzmocnienia 1 dla dowolnego k, bardzo prosta i stosowalna do wszystkich równań z pierwszą pochodną czasową

49 adwekcja zachodzi w ten sam sposób dla (+t,+v) i (–t,-v)
zauważmy: leapfrog dla adwekcji – symetryczny względem zmiany kierunku upływu czasu z równoczesną zmianą kierunku v (wyliczyć n-1 zamiast n+1, uwzględnić zmianę znaku a) tak ma być! dla przedniego Eulera mieliśmy: , który nie jest niezmienniczy względem zmiany kierunku upływu czasu wsteczny Euler również ten nie jest z wstecznego Eulera do przedniego Eulera przechodzimy zmieniając znak t i v gdzie wsteczny ma dyfuzję numeryczną (gaszenie wyższych k) tam przedni ma antydyfuzję (generację wysokich składowych)

50 widzielismy, ze CN i leapfrog sprawdzaja sie najlepiej dla adwekcji
CN dla adwekcji jest symetryczny względem zmiany kierunku upływu czasu z równoczesną zmianą kierunku v widzielismy, ze CN i leapfrog sprawdzaja sie najlepiej dla adwekcji te schematy zachowuja symetrie rownania wzgledem operacji v-v, t-t uwaga: nie dla każdego równania idealny schemat jest odwracalny: np. równanie dyfuzji ut=uxx niezmienniczne względem znaku t nie jest