数值问题的初始条件

计算科学 有限差分 数值分析 边界条件 有限体积 流体动力学
2021-12-21 07:01:05

在初始值问题中,初始条件是否必须满足边界条件和控制方程?

例如:如果将流体动力学问题中压力的非齐次 Neumann 边界条件应用于边界,是否可以初始化零压力场?

1个回答

这取决于您拥有的方程式以及您想要建模的情况。例如,想象一下,您正在考虑平流方程

tu+cxu=0,
从左到右 传输一定浓度的物质。说在时间处处处的浓度为零,即但位于左侧边缘之外的“水库”的浓度为 1,即,所以高浓度的流体从左边流入,代替之前的低浓度流体。ct=0u(x,0)=0u(0,t)=1

同样,如果您考虑热方程 那么您可以考虑对具有初始温度但开始于时间,您将温度为 1 的热浴与固体的左端或右端接触,即,以便从左侧加热固体。

tukxxu=0,
u(x,0)=0t=0u(0,t)=1

另一方面,如果你有 Stokes 方程 那么你还必须规定速度的初始值和边界值. 在这里,我不能立即想象出初始速度为零的情况(这意味着直到,包围流体的壁也处于静止状态),但是从开始,壁以一定的速度移动,从而赋予速度非零边界值。那是因为你必须立即将墙壁从静止加速到非零速度——这需要无限加速,因此需要无限的力。

tuηΔu+p=0,u=0,
t=0t=0

以上的考虑都是从物理的角度来考虑的。在数学上,这种不匹配的初始/边界条件会在初始时间和边界处引入解中的不连续性。因此,您将获得在该位置缺乏规律性的解决方案。这不是先验的问题。但是,它需要仔细考虑适合您的解决方案的函数空间,以及弱形式的测试函数。通常,您还将获得仅满足方程的弱形式而不是强形式的解。