FB IV Mathematik Universität Trier. Präsentation von Nadja Wecker



Ähnliche Dokumente
Charakteristikenmethode im Beispiel

Kevin Caldwell. 18.April 2012

Abituraufgabe zur Stochastik, Hessen 2009, Grundkurs (TR)

Definition 3.1: Ein Differentialgleichungssystem 1. Ordnung

Zeichen bei Zahlen entschlüsseln

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

1 Arbeit und Energie. ~ F d~r: (1) W 1!2 = ~ F ~s = Beispiel für die Berechnung eines Wegintegrals:

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

1. Man schreibe die folgenden Aussagen jeweils in einen normalen Satz um. Zum Beispiel kann man die Aussage:

Entladen und Aufladen eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand

Austausch- bzw. Übergangsprozesse und Gleichgewichtsverteilungen

50. Mathematik-Olympiade 2. Stufe (Regionalrunde) Klasse Lösung 10 Punkte

Rekursionen. Georg Anegg 25. November Methoden und Techniken an Beispielen erklärt

Lineargleichungssysteme: Additions-/ Subtraktionsverfahren

Lineare Gleichungssysteme

Einführung in die Algebra

11.3 Komplexe Potenzreihen und weitere komplexe Funktionen

Bevor lineare Gleichungen gelöst werden, ein paar wichtige Begriffe, die im Zusammenhang von linearen Gleichungen oft auftauchen.

Mathematik. UND/ODER Verknüpfung. Ungleichungen. Betrag. Intervall. Umgebung

7 Rechnen mit Polynomen

Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Übungsbuch für den Grundkurs mit Tipps und Lösungen: Analysis

Güte von Tests. die Wahrscheinlichkeit für den Fehler 2. Art bei der Testentscheidung, nämlich. falsch ist. Darauf haben wir bereits im Kapitel über

ERGÄNZUNGEN ZUR ANALYSIS II MITTELWERTSATZ UND ANWENDUNGEN

Vorkurs Mathematik Übungen zu Differentialgleichungen

Modellbildungssysteme: Pädagogische und didaktische Ziele

Primzahlen und RSA-Verschlüsselung

1 Mathematische Grundlagen

Lineare Gleichungssysteme

Rente = laufende Zahlungen, die in regelmäßigen Zeitabschnitten (periodisch) wiederkehren Rentenperiode = Zeitabstand zwischen zwei Rentenzahlungen

Skript und Aufgabensammlung Terme und Gleichungen Mathefritz Verlag Jörg Christmann Nur zum Privaten Gebrauch! Alle Rechte vorbehalten!

LANGFRISTIGE HAUSAUFGABE (LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME)

Repetitionsaufgaben Wurzelgleichungen

Lösungsmethoden gewöhnlicher Differentialgleichungen (Dgl.)

DIFFERENTIALGLEICHUNGEN

Simulation von räumlich verteilten kontinuierlichen Modellen

Im Jahr t = 0 hat eine Stadt Einwohner. Nach 15 Jahren hat sich die Einwohnerzahl verdoppelt. z(t) = at + b

Nichtlineare Optimierung ohne Nebenbedingungen

13. Lineare DGL höherer Ordnung. Eine DGL heißt von n-ter Ordnung, wenn Ableitungen y, y, y,... bis zur n-ten Ableitung y (n) darin vorkommen.

Anhand des bereits hergeleiteten Models erstellen wir nun mit der Formel

Simplex-Umformung für Dummies

Musterlösungen zur Linearen Algebra II Blatt 5

Mathematischer Vorbereitungskurs für Ökonomen

Modulabschlussklausur Analysis II

BONUS MALUS SYSTEME UND MARKOV KETTEN

Lineare Gleichungssysteme I (Matrixgleichungen)

Professionelle Seminare im Bereich MS-Office

Chemie Zusammenfassung KA 2

Grundbegriffe der Informatik

Abituraufgabe zur Analysis, Hessen 2009, Grundkurs (TR)

Tangentengleichung. Wie lautet die Geradengleichung für die Tangente, y T =? Antwort:

erster Hauptsatz der Thermodynamik,

Data Mining: Einige Grundlagen aus der Stochastik

!(0) + o 1("). Es ist damit möglich, dass mehrere Familien geschlossener Orbits gleichzeitig abzweigen.

Simulation LIF5000. Abbildung 1

Darstellungsformen einer Funktion

W-Rechnung und Statistik für Ingenieure Übung 11

REACH-CLP-Helpdesk. Zulassung in der Lieferkette. Matti Sander, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

9.2. DER SATZ ÜBER IMPLIZITE FUNKTIONEN 83

Kapitel 15: Differentialgleichungen

Würfelt man dabei je genau 10 - mal eine 1, 2, 3, 4, 5 und 6, so beträgt die Anzahl. der verschiedenen Reihenfolgen, in denen man dies tun kann, 60!.

Numerische Verfahren und Grundlagen der Analysis

Lineare Algebra und Lösung linearer zeitinvarianter Differentialgleichungssysteme

7.3 Anwendungsbeispiele aus Physik und Technik

Informationsblatt Induktionsbeweis

4.3 Bevölkerungsprozessstatistik: Raten und Tafeln

Bericht zur Prüfung im Oktober 2003 über Mathematik der Lebensversicherung (Grundwissen)

Aufgaben zur Flächenberechnung mit der Integralrechung

A Vortex Particle Method for Smoke, Fire, and Explosions

Guide DynDNS und Portforwarding

Extrema von Funktionen in zwei Variablen

Die Gleichung A x = a hat für A 0 die eindeutig bestimmte Lösung. Für A=0 und a 0 existiert keine Lösung.

Abschlussprüfung Realschule Bayern II / III: 2009 Haupttermin B 1.0 B 1.1

Approximation durch Taylorpolynome

Rente = laufende Zahlungen, die in regelmäßigen Zeitabschnitten (periodisch) wiederkehren Rentenperiode = Zeitabstand zwischen zwei Rentenzahlungen

Behörde für Bildung und Sport Abitur 2008 Lehrermaterialien zum Leistungskurs Mathematik

Optimale Steuerung. Sequentielle Quadratische Programmierung. Kevin Sieg. 14. Juli Fachbereich für Mathematik und Statistik Universität Konstanz

Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus:

a n auf Konvergenz. Berechnen der ersten paar Folgenglieder liefert:

Rekursionen (Teschl/Teschl )

Hamilton-Formalismus

Definition:Eine meromorphe Modulform vom Gewicht k Z ist eine meromorphe. f : H C. (ii) C > 0, so daß f(z) im Bereich Im z > C keine Singularität hat.

Wachstum 2. Michael Dröttboom 1 LernWerkstatt-Selm.de

4. AUSSAGENLOGIK: SYNTAX. Der Unterschied zwischen Objektsprache und Metasprache lässt sich folgendermaßen charakterisieren:

WÄRMEMESSUNG MIT DURCHFLUSSMENGENMESSER, TEMPERATURSENSOREN UND LOXONE

Tutorial: Homogenitätstest

Kapitalerhöhung - Verbuchung

Ausarbeitung des Seminarvortrags zum Thema

Ein Einfaches AIDS Modell

Ein neuer Beweis, dass die Newton sche Entwicklung der Potenzen des Binoms auch für gebrochene Exponenten gilt

Analysis I für Studierende der Ingenieurwissenschaften

Ist Fernsehen schädlich für die eigene Meinung oder fördert es unabhängig zu denken?

Protokoll Frage (Aufgabentyp 1 Allgemeine Frage):

Eine Einführung zum numerischen Programmieren mit Excel

Mit den angegebenen Parametern ergeben sich folgend Kurven (analytische und numerische Lösung)

Grundlagen der höheren Mathematik Einige Hinweise zum Lösen von Gleichungen

Das große ElterngeldPlus 1x1. Alles über das ElterngeldPlus. Wer kann ElterngeldPlus beantragen? ElterngeldPlus verstehen ein paar einleitende Fakten

Quadratische Gleichungen

Maschinenbau Erneuerbare Energien. Bachelorarbeit. Numerische Simulation zur Umströmung einer Photovoltaikanlage. Irmela Blaschke

How to do? Projekte - Zeiterfassung

2. Mathematik Olympiade 2. Stufe (Kreisolympiade) Klasse 7 Saison 1962/1963 Aufgaben und Lösungen

Transkript:

FB IV Mathematik Universität Trier Präsentation von Nadja Wecker

1) Einführung Beispiele 2) Mathematische Darstellung 3) Numerischer Fluss für Diffusionsgleichung 4) Konvergenz 5) CFL-Bedingung 6) Zusammenfassung -2-

Finite-Volumen-Methode (FVM): numerisches Verfahren zur Approximation von Lösungen von Erhaltungsgleichungen partielle Gleichungen, denen Erhaltungssatz zugrunde liegt Entwicklung im Laufe der 1950er Jahre für die Raumfahrt Besonderer Beitrag: russischer Mathematiker Godunov -3-

Anwendungen von FVM numerische Strömungsmechanik FV-Diskretisierung einer KFZ Umströmung Berechnung viskoser Schiffsumströmungen mit freier Oberfläche (FVM liefert eine exakte Beschreibung des 3D- Strömungsfeldes) Simulation der Rauchgasausbreitung an einem RoRo-Schiff -4-

Meteorologie Prognose des zeitlichen Verlaufs der prognostischen Größen (Windgeschwindigkeit, Druck, Temperatur) -5-

Grundidee: ein räumliches Gebiet wird in Intervalle zerlegt Diese Intervalle heißen Gitterzellen oder finite Volumina i-te Zelle: C i = (x i-1/2, x i+1/2 ) In jeder Zelle gilt der Erhaltungssatz Partielle Differentialgleichungen werden mittels Gauß schem Integralsatz umformuliert -6-

Die Zellmittelwerte approximiert: werden durch folgendes Integral (1) wobei q: R R R m t: Zeitvariable x: Ortsvariable x=x i+1/2 - x i-1/2 Abb.1: Darstellung der Gitterzellen x-t-dim. -7-

Man betrachte die Gleichung Diskretisierung der Zeit in Intervalle und Integration obiger Gleichung über ein solches Intervall liefern: (2) -8-

Mit Umformen und Dividieren durch x ergibt sich: (3) Integrale auf der rechten Seite sind im Allgemeinen nicht exakt zu bestimmen Aufgabe der FVM: numerische Approximation der Flussintegrale zu liefern -9-

Gleichung (3) in Zellmittelwerten ausgedrückt: (4) wobei (5) Abb.2: Veranschaulichung der FVM -10-

Annahme: hängt lediglich von und wobei F ist eine numerische Flussfunktion (6) (7) Jede einzelne FVM hängt von der Wahl der numerischen Flussfunktion F ab. Im Allgemeinen: Three-point stencil, d.h. abhängig von und -11-

Besondere Eigenschaft von FVM: Konservativität Definition 2.1 Ein numerisches Verfahren zur Lösung der Erhaltungsgleichung q t +f(q) x =0 heißt konservativ, wenn es die Form hat. Die Funktion F wird als Flussfunktion bezeichnet. -12-

Konservativität: die Flussfunktion ist nur vom Anfangs- und Endpunkt abhängig. denn für die Summe von (4) über gilt: (die Flüsse über die inneren Zellgrenzen heben sich weg) (8) -13-

Erhaltungsgesetz: Diffusionsgleichung: Für gegebene (9) wobei -14-

Setze (9) in (7) ein: (10) Spezialfall: β konstant hier zu erkennen: zentrale Approximation von q xx. -15-

Wann ist eine numerische Flussfunktion geeignet für die numerischen Berechnungen? Essentielle Forderung an ein Verfahren: Konvergenz Bedingungen für die Konvergenz: Konsistenz (die Methode muss die DGL lokal gut approximieren) Stabilität (der Rundungsfehler wirkt sich nicht zu stark auf die Berechnung aus) -16-

Definition 4.1 Eine Flussfunktion F mit den Argumenten u 1,,u j heißt konsistent, wenn folgende Eigenschaften erfüllt sind: 1) F(u,u,,u) = f(u) 2) F ist Lipschitz-stetig in allen Komponenten -17-

Für num. Flussfunktion soll gelten: 1) Seien q(x,t)= q und (11) 2) Lipschitz-Stetigkeit, d.h. eine Konstante L so, dass (12) -18-

Betrachte (7) und die Advektionsgleichung Zwei Fälle zu unterscheiden: -19-

Für ein t klein genug hängt die Flussfunktion zwischen den Zellen C i-1 und C i nur von ab. Ist der Zeitschritt zu groß, hängt die Flussfunktion zusätzlich noch von ab. -20-

Methode bei b) nicht stabil Ergebnis der CFL-Bedingung CFL: Courant, Friedrichs und Lewy Notwendige Bedingung für jedes numerische Verfahren CFL-Bedingung Ein numerisches Verfahren ist konvergent, falls der numerische Abhängigkeitsbereich den tatsächlichen Abhängigkeitsbereich der PDE einschließt; t, x 0 Wichtig: notwendig für Stabilität, aber nicht hinreichend!!! -21-

Abhängigkeitsbereich D (X,T) für PDE durch Charakteristiken festgelegt Num. Abhängigkeitsbereich für PDE durch Schrittweiten festgelegt Charakteristiken (X,T) x Abhängigkeitsbereich Illustration anhand der finiten-differenz- Methoden t -22-

3-Punkte-Schema 2 1 1 1 Q i ist abhängig von Q i-1, Q i und Q i+1, die numerische Lösung im Punkt (X,T)=(X,t 2 ) kann von Werten im Intervall beeinflusst werden: X 2 x a x X + 2 x a a) X -23-

Verfeinertes Gitter mit Faktor 2 ( x b = x a /2) die numerische Lösung im Punkt (X,T)= (X,t 2 ) abhängig von Werten im Intervall: X 4 x b x X + 4 x b b) X -24-

Weitere Verfeinerung: r t/ x nach CFL: X T/r x X + T/r für einen Punkt (X,T) der Abhängigkeitsbereich der tats. Lösung [X T/r, X + T/r] Bsp.: Advektionsgleichung q t +ūq x =0 D (X,T)={X ūt}, da q(x,t)=q(x ūt) X T/r X-ūT X + T/r 1 ūr Courant-Zahl (13) -25-

Gilt (13) nicht Änderung von q in X ūt ändert tats. Lösung in (X,T), aber nicht num. Lösung in diesem Punkt Zurück zu FVM: Courant-Zahl gibt an, um wie viele Zellen sich die Information pro Zeitschritt fortbewegt -26-

System von hyperbolischen Gleichungen Bsp.: Wellengleichung D (X,T)={X λ p T: p=1,,m} λ 1,, λ m : Ausbreitungsgeschwindigkeiten (14) Für 3-Punkte-Methode: c 1 Abschätzung hängt von der Maschenweite ab z.b. Ist von 5 Zellenmittelwerten abhängig, so c 2-27-

Hyperbolische PDE: Explizite Verfahren c 1 Gitterzerlegung in t/ x Verbesserung der Lösung Parabolische PDE: Bsp.: Diffusionsgleichung Explizite Verfahren D (X,T)=(-, ) Ausbreitungsgeschwindigkeit infinit mit CFL: numerischer Abhängigkeitsbereich (-, ). Dann der Fall, wenn t 0 schneller als x 0 z.b. bei t = ( x 2 ) Für CFL-Bed. besser implizite Methoden -28-

FVM: numerisches Verfahren zur Lösung von Erhaltungsgleichungen Diskretisierung des Raumes in Zellen In jeder Zelle gilt der Erhaltungssatz Statt q werden die Zellmittelwerte von q approximiert In jedem Zeitschritt wird mithilfe des Flusses die Änderung der Größe bestimmt konservativ -29-

Konvergenz = Konsistenz + Stabilität CFL stellt einen Zusammenhang zwischen der Größe der Maschenweite in einem Rechengitter x, der im benutzten Gleichungssystem auftretenden größten Geschwindigkeit u und dem maximal möglichen Zeitschritt t her. Notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Stabilität Informationen dürfen sich in einem Zeitschritt nicht mehr als eine Zelle weit ausbreiten c wird als Courant-Zahl bezeichnet -30-

RANDALL J. LEVEQUE: Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems WikiBook Theorie und Numerik von Erhaltungsgleichungen http://www.met-online.com/de/cfdcomputation_fluid_dynamics.html (16.11.2010) -31-

-32-