PDE 的稳定性

计算科学 计算物理学 微分方程 扩散 稳定 算法
2021-12-17 15:47:39

我目前正在尝试使用 FiPy 解决一些偏微分方程。在第 56 页,手册提到(https://www.ctcms.nist.gov/fipy/download/fipy-3.0.pdf)。

对于这个明确的一维扩散问题,可以采取的最大稳定时间步长是tx2/(2D).

一些可能看起来很基本但我很难理解的问题:

  1. 为什么会出现这种不平等?这对 2D 和 3D 问题有何影响?

  2. 单位不应该在这里发挥作用吗?例如,如果我按时间步长从小时转换为分钟,那么即使表示的实际时间保持不变,值的大小显然会发生变化?还是我也在缩放扩散率(取决于空间和时间的单位)这一事实是否确保不等式保持合理?

1个回答
  1. 这来自冯诺依曼稳定性分析。您离散化偏微分方程并查看误差方程,这是有限差分近似的精确解与实际方程之间的差异。您需要及时缩小误差,如果您假设误差的行为类似于傅立叶级数,您可以评估误差的增长,该误差的幅度必须小于 1 以保持稳定性。维基百科上的冯诺依曼分析页面可以解释您的问题要遵循的确切过程。在 2D 或 3D 中它更复杂,但我记得在某些情况下是可能的。需要注意的一件事是,冯诺依曼误差分析是为线性 PDE 开发的。
  2. 是的,您的扩散率应该在不等式的 RHS 上,并且会随着您的单位适当缩放