Альтернативы анализу устойчивости по Нейману для конечно-разностных методов


13

Я работаю над решением связанных одномерных уравнений пороупругости (модель Био), заданных как:

(λ+2μ)2ux2+px=0
t[γp+ux]κη[2px2]=q(x,t)
в областиΩ=(0,1)и с граничными условиями:

p=0,(λ+2μ)ux=u0приx=0иu=0,px=0приx=1.

Я дискретизировал эти уравнения, используя центрированную конечно-разностную схему:

γp t + 1 i -p t i

(λ+2μ)ui+1t+12uit+1+ui1t+1Δx2+pi+1t+1pi1t+12Δx=0
γpit+1pitΔt+ui+1t+1ui1t+12ΔxΔt[ui+1tui1t2ΔxΔt]κη[pi+1t+12pit+1+pi1t+1Δx2]=qit+1

В настоящее время я прорабатываю детали сближения схемы, анализируя ее последовательность и стабильность. Часть согласованности кажется мне довольно простой, но я уже предвижу некоторые трудности с анализом стабильности. Прежде всего, есть две переменные и два уравнения. Во-вторых, во втором уравнении также есть смешанный пространственно-временной производный член. Я знаком с анализом устойчивости фон Неймана и вижу, что с помощью этого метода будет очень трудно установить стабильность. Есть ли альтернативы анализу фон Неймана, которые я могу использовать?


1
Если вам неудобно проводить анализ с помощью системы уравнений, просто дифференцируйте первое уравнение по и второе по x . Тогда используйте равенство смешанных частных производных, чтобы устранить u . txu
Дэвид Кетчон

@DavidKetcheson: Интересно. По сути, вы предлагаете , что я мог бы привести систему к одной переменной и провести стандартный анализ Neumann фон на без потери общности к ц ? pu
Павел

Это та же проблема, пишете ли вы это как системный или скалярный PDE.
Дэвид Кетчон

Ответы:


7

Если заменить, по крайней мере , для анализа, uxux

[00II]ddt[ph(t)ux,h(t)]+[hhΔh0][ph(t)ux,h(t)]=[qh(t)0]()
1hddt

Теперь дифференциально-алгебраическая (DAE) структура очевидна. Для переменных существуют как дифференциальные (по времени), так и алгебраические уравнения.

[hhII]

При таком подходе вы можете обойти анализ стабильности.

Для прямого доказательства L2()Δhh

Однако , если стабильность не может быть установлена ​​для(*), это не означает, что ваша схема не сходится - из-за замены UUИкс, Вообще говоря, можно ожидать устойчивости для схем, аппроксимирующих реальные переменные, а не для схем, аппроксимирующих их производные.

APPENDIX: A DAE is said to be index 1, if it can be transformed into an ODE without differentiating the equations.

Say, the DAE is of the form

[E10]y˙+[A1A2]y=f.
Then invertibility of [E1A2] implies, that there is a variable transform y~y that eventually swaps the columns of the coefficients so that [E1A2][E~11E~12A~21A~22] with A~22 invertible (full rank property of A2) and A~11E~12A~221A~21 invertible (the Schur complement).

For the system () this means that the algebraic part defined with A2:=[h h] can be used to solve for a part y~2 of (ph,ux,h). Then, one can eliminate ddty~2 from the differential part (the second block line in ()), to obtain an ODE for the remaining variables.


This is a very interesting technique. I looked at the paper you referenced, and I'm curious how you concluded that
[hhII]
must be invertible. Which theorem did you apply?
Paul

@Paul I didn't find a theorem for reference, so I will insert the arguments into my answer...
Jan

4

I am not familiar with the equations given here, but I remember learning another method for checking the stability of a numerical scheme in my coursework. It is known as Modified Equation analysis.

Here is a good reference for that,

http://193.146.160.29/gtb/sod/usu/$UBUG/repositorio/10291890_Warming.pdf

In the above reference, the connection between stability theory based on Modified Equation analysis and Von Neumann stability analysis is established.

After a bit of online search, I came across following references,

This paper discusses Finite difference modeling of Biot's poroelastic equations at seismic frequencies. It has a section on stability of numerical scheme as well.

This paper presents a solution strategy of decoupling the coupled system, and checking the stability of numerical scheme.


I have not performed the modified equation analysis on above equations, but as the question asked for alternatives to Von Neumann analysis, I wrote the above answer. It is quite possible that it does not answer the question. But somebody might find the listed references useful in his/her work.
Subodh

Thank you for the reference! I can see that the form needed in your Modified Equation Analysis paper doesn't quite fit the equations I'm using, but it's quite intriguing to learn new analysis techniques!
Paul
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.