ივანე ჯავახიშვილის...

30
ლექცია 3 ივანე ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი

Transcript of ივანე ჯავახიშვილის...

Page 1: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

ლექცია 3

ივანე ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი

Page 2: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

FD Methods

Domain of Influence (elliptic, parabolic, hyperbolic)

Conservative formulation

Complications:

- Mixed Derivatives

- Higher Dimensions (2+)

- Source Terms

Page 3: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

FD: Domain of influence

Elliptic PDE Laplace equation

0,U,U2

2

2

2

y)(x

yy)(x

x

Hy

Wx

0

0

Page 4: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

FD: Domain of influence

Parabolic PDE Heat equation

(t,x)x

k(t,x)t

UU2

2

)()0(

),(

)0( 0

xg,xU

uAtU

ut,U

A

Page 5: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

FD: Domain of influence

Hyperbolic PDE Wave equation

(t,x)x

C(t,x)t

UU2

22

2

2

)()0(

)()0(

)0( 0

xg,xUt

xf,xU

ut,U

Page 6: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Mixed Derivatives

Central

Derivative

Stencil:

yx

),j(i),j(i

yx

),j(i),j(i(x,y)

yx

4

11U11U

4

11U11UU

2

Page 7: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

PDE Formulation

Burgers Equation:

Straightforward discretization (upwind):

Conservative Form:

Standard discretization (upwind):

0UUU

(t,x)

x(t,x)(t,x)

t

(i,j))-(i,j(i,j)Δx

Δt(i,j) - ,j)(i U1UUU1U

0U2

1U

2

(t,x)

x(t,x)

t

22U1U

2U1U (i,j)-)(i,j

Δx

Δt(i,j) - ,j)(i

Page 8: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Burgers Equation

Page 9: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Lax-Wendroff Theorem

For hyperbolic systems of conservation laws, schemes

written in conservation form guarantee that if the scheme

converges numerically, then it converges to the analytic

solution of the original system of equations.

Lax equivalence:

Stable solutions converge to analytic solutions

Page 10: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Implicit and Explicit Methods

Explicit FD method:

U(n+1) is defined by U(n)

knowing the values at time n, one can obtain

the corresponding values at time n+1

Implicit FD method:

U(n+1) is defined by solution

of system of equations at every

time step

Page 11: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Implicit Methods

Crank-Nicolson for parabolic equations:

e.g. Heat Equation

1. ( i+1 ) backward derivative

2. ( i ) forward derivative

,,,,U

2

2

xtx

U

x

UUF(t,x)

t

Page 12: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Implicit Methods

1. Forward derivative:

2. Backward derivative:

Crank-Nicolson

,,,,U

2

2

xtx

U

x

UUF(t,x)

t

),(),(),1(

jiFt

jiUjiU

),1(),(),1(

jiFt

jiUjiU

),1(),(2

1),(),1(jiFjiF

t

jiUjiU

Page 13: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Implicit and Explicit Methods

+ Unconditionally Stable

+ Second Order Accurate in Time

- Complete system should be solved

at each time step

Crank-Nicolson method:

stable for larger time steps

Page 14: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Crank-Nicolson

1D Diffusion equation2

2

Ux

Ua(t,x)

t

)1,(),()21()1,(

)1,1(),1()21()1,1(

jirUjiUrjirU

jirUjiUrjirU

Page 15: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Triagonal Matrix

1. Computing inverse matrix: y =T-1 d

2. Gaussian elimination

jjjjjjj dycybya 11

nnnn d

d

d

y

y

y

ba

cba

cb

.....

2

1

2

1

222

1101 a

0nc

Page 16: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Gaussian Elimination

jjjjjjj dycybya 11 01 a 0nc

njdy

njycdy

nn

jjjj

*

1

** 1,...,1

Page 17: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

To do

Derive implicit Crank-Nicolson algorithm and solve

equations:

1.

2.

3.

x

txUf

x

txUxat)(x

t

),(),()(,U

2

2

),(),(

),(,U2

2

txcUx

txUtxat)(x

t

2

2

2

2 ),,(),,(),(,,U

y

tyxU

x

tyxUyxat)y(x

t

Page 18: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

First vs Second Order Accuracy

Local truncation error vs. grid resolution in x

Page 19: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Source Terms

Nonlinear Equation with source term S(U)

e.g. HD in curvilinear coordinates

1. Unsplit method

2. Fractional step (splitting method)

)U()U(U SFx

(t,x)t

Page 20: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Source Terms: unsplit method

One sided forward method:

- Lax-Friedrichs (linear + nonlinear)

- Leapfrog (linear)

- Lax-Wendroff (linear+nonlinear)

- Beam-Warming (linear)

)U(

)U()1F(UU1U

(i,j)ΔtS

(i,j)-F)(i,jΔx

Δt(i,j) - ,j)(i

Page 21: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Source Terms: splitting method

Split inhomogeneous equation into two steps:

transport + sources

1) Solve PDE (transport)

2) Solve ODE (source)

0)U(U

F

x(t,x)

t

(i,j)(i,j) UU

)U(U S(t,x)t

,j)(i(i,j)(i,j) 1UUU

Page 22: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Multidimensional Problems

Nonlinear multidimensional PDE:

Dimensional splitting

x-sweep

y-sweep

z-sweep

source term: splitting method

)U()U()U()U(U SHz

Gy

Fx

(t,x)t

Page 23: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Dimension Splitting

x-sweep (PDE):

y-sweep (PDE):

z-sweep (PDE):

source (ODE):

0)U(U

F

x(t,x)

t

0)U(U **

G

y(t,x)

t

0)U(U ****

H

z(t,x)

t

)U(U ****** S(t,x)t

(i,j)(i,j) *UU

(i,j)(i,j) *** UU

(i,j)(i,j) ***** UU

,j)(i(i,j) 1UU ***

Page 24: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Dimension Splitting

Upwind method (forward difference)

)U(

)U()1(U

)U()1(U

)U()1(UU1U

(i,j)ΔtS

(i,j)-H)(i,jHΔz

Δt-

(i,j)-G)(i,jGΔy

Δt-

(i,j)-F)(i,jFΔx

Δt(i,j) - ,j)(i

Page 25: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Dimension Splitting

+ Speed

+ Numerical Stability

- Accuracy

Page 26: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Method of Lines

Conservation Equation:

Only spatial discretization:

Solution of the ODE (i=1..N)

- Analytic?

- Runge-Kutta

0)U(U

F

x(t,x)

t

)()(U jfjt

))(U())1(U(1

)( jFjFx

jf

Page 27: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Method of Lines

Multidimensional problem:

Lines:

Spatial discretazion:

)U()U()U(U SGy

Fx

(t,x)t

)),(U(),(),(),(U jiSjigjifjit

)),(U()),1(U(1

),( jiFjiFx

jif

)),(U())1,(U(1

),( jiGjiGy

jig

Page 28: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Method of Lines

Analytic solution in time: Numerical error only due to

spatial discretization;

+ For some problems analytic solutions exist;

+ Nonlinear equations solved using stable scheme

(some nonlinear problems can not be solved using

implicit method)

- Computationally extensive on high resolution grids;

Page 29: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

Linear schemes

“It is not possible for a linear scheme to be both higher

that first order accurate and free of spurious

oscillations.”

Godunov 1959

First order: numerical diffusion;

Second order: spurious oscillations;

Page 30: ივანე ჯავახიშვილის ...tevza.org/home/course/modelling-II_2016/Sim3.pdf · თბილისის სახელმწიფო ...

end

www.tevza.org/home/course/modelling-II_2016/