FEM2: Randvärdesproblem och finita elementmetoden i flera variabler

Relevanta dokument
19 Integralkurvor, potentialer och kurvintegraler i R 2 och R 3

FEM1: Randvärdesproblem och finita elementmetoden i en variabel.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen T Erlandsson

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

1 e x2. lim. x ln(1 + x) lim. 1 (1 x 2 + O(x 4 )) = lim. x 0 x 2 /2 + O(x 3 ) x 2 + O(x 4 ) = lim. 1 + O(x 2 ) = lim = x = arctan x 1

Om stationära flöden och Gauss sats i planet

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Lösningsförslag till tentamen i SF1683 och SF1629 (del 1) 23 oktober 2017

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 8 juni 2011, Svar och lösningsförslag

SF1625 Envariabelanalys

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Genomgånget på föreläsningarna Föreläsning 16-17, 2010:

SF1625 Envariabelanalys

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

6 Greens formel, Stokes sats och lite därtill

Preliminär version 2 juni 2014, reservation för fel. Tentamen i matematik. Kurs: MA152G Matematisk Analys MA123G Matematisk analys för ingenjörer

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

24 Integraler av masstyp

9. Bestämda integraler

TMV151/TMV181. Fredrik Lindgren. 19 november 2013

Volum av rotationskroppar. Båglängd, rotationsytor. Adams 7.1, 7.2, 7.3

Gauss och Stokes analoga satser och fältsingulariteter: källor och virvlar Mats Persson

Volym och dubbelintegraler över en rektangel

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.


14. MINSTAKVADRATMETODEN

13 Generaliserade dubbelintegraler

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Trigonometri. 2 Godtyckliga trianglar och enhetscirkeln 2. 3 Triangelsatserna Areasatsen Sinussatsen Kosinussatsen...

f(x)dx definieras som arean av ytan som begränsas av y = f(t), y = 0, t = a och t = b, se figur.

Vilken rät linje passar bäst till givna datapunkter?

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

KOMPLETTERANDE MATERIAL TILL KURSEN MATEMATIK II, MATEMATISK ANALYS DEL A VT 2015

Ï x: 0 Æ 1 Ì [ ] y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

Tentamen 1 i Matematik 1, HF dec 2016, kl. 8:00-12:00

Area([a; b] [c; d])) = (b a)(d c)

Uppgiftssamling 5B1493, lektionerna 1 6. Lektion 1

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 1

EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER

Analys o 3D Linjär algebra. Lektion 16.. p.1/53

Integraler. 1 Inledning. 2 Beräkningsmetoder. CTH/GU LABORATION 2 MVE /2013 Matematiska vetenskaper

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Integraler och statistik

Tavelpresentation grupp 5E

Några partiella differentialekvationer med

Finaltävling den 20 november 2010

Integralen. f(x) dx exakt utan man får nöja sig med att beräkna

y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

Tillämpning av integraler

TENTAMEN. Matematik för basår I. Massimiliano Colarieti-Tosti, Niclas Hjelm & Philip Köck :00-12:00

TATA42: Tips inför tentan

Matris invers, invers linjär transformation.

Sats 3: Egenskaper. (a) (b) f(x) dx = 2 f(x) dx. (c) (Af(x) + Bg(x))dx. g(x) dx = A. (d) (e) Om a b och f(x) g(x) (f) Triangelolikheten: Om a b

Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 29 augusti, 2008, kl

Associativa lagen för multiplikation: (ab)c = a(bc). Kommutativa lagen för multiplikation: ab = ba.

Tillämpning - Ray Tracing och Bézier Ytor. TANA09 Föreläsning 3. Icke-Linjära Ekvationer. Ekvationslösning. Tillämpning.

Analys grundkurs B lab 1. Stefan Gustafsson Per Jönsson Fakulteten för Teknik och Samhälle, 2013

Läsanvisningar för MATEMATIK I, ANALYS

KAPITEL 8. Integralekvationer Introduktion

Kvalificeringstävling den 2 oktober 2007

ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM. LÄNGDEN AV EN VEKTOR. AVSTÅND MELLEN TVÅ PUNKTER. MITTPUNKT. TYNGDPUNKT. SFÄR OCH KLOT.

ENVARIABELANALYS - ETT KOMPLEMENT

Samling av bevis som krävs på tentan MVE465, 2018

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE.

ORTONORMERADE BASER I PLAN (2D) OCH RUMMET (3D) ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 10/1 2015

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

x = x = x = x=3 x=5 x=6 42 = 10x x + 10 = 15 x = = 20 x = 65 x + 36 = 46

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 25/8 2015

MATEMATIKPROV, LÅNG LÄROKURS BESKRIVNING AV GODA SVAR

Generaliserade integraler

Matematiska uppgifter

Föreläsning 7: Trigonometri

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: Basvektorer i tre dimensioner: = i. Enhetsvektor i riktningen v: v v. Definition: Vektorprodukt

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

Appendix. De plana triangelsatserna. D c

Analys 360 En webbaserad analyskurs Grundbok. Integralkalkyl. MatematikCentrum LTH

Lösningar till uppgifter i magnetostatik

Mat Grundkurs i matematik 1, del II

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 5-7.

= y(0) 3. e t =Ce t, y = =±C 1. 4 e t.

9 Dubbelintegralens definition

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

Laboration i matematik Envariabelanalys 2

Kan det vara möjligt att med endast

FÖRSÄTTSBLAD TILL TENTAMEN. ELLER (fyll bara i om du saknar tentamenskod): Datum: 21 december Bordsnummer:

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Sfärisk trigonometri

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Några integraler. Kjell Elfström. x = f 1 (y) = arcsin y. . 1 y 2 Vi låter x och y byta roller och formulerar detta resultat som en sats: cos x = 1

Mat Grundkurs i matematik 1, del III

PASS 1. RÄKNEOPERATIONER MED DECIMALTAL OCH BRÅKTAL

SIGNALER OCH SYSTEM II LEKTION 2 / MATEMATISK LEKTION 1. Fredrik Andréasson. Department of Mathematics, KTH

1 Inledning 2. 2 Måttet av en öppen mängd 3. 3 Integralen av en kontinuerlig funktion 9. 4 Jämförelse med Riemannintegralen 14

Svar till uppgifter 42 SF1602 Di. Int.

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

MATEMATISK STATISTIK I FORTSÄTTNINGSKURS. Tentamen måndagen den 17 oktober 2016 kl 8 12

INLEDNING: Funktioner (=avbildningar). Beteckningar och grundbegrepp

Läsanvisningar till kapitel

Transkript:

MVE255 Mtemtisk nlys i fler vribler M FEM2: Rndvärdesproblem och finit elementmetoden i fler vribler 1 1.1 Prtiell integrtion Kom ihåg tt finit elementmetoden bygger på den svg formuleringen v rndvärdesproblemet och tt den svg formuleringen bygger på prtiell integrtion. Prtiell integrtion bygger i sin tur på differentil- och integrlklkylens fundmentlsts och produktderivering. Fundmentlstsen (The Fundmentl Theorem of Clculus), Theorem 5 i Adms 5.5, säger tt [ ] b Obs tt insättningstermen u(x) u(x) dx = [ ] b u(x) = u(b) u(). = u(b) u() hr plustecken i intervllets högr rndpunkt b och minustecken i den vänstr rndpunkten. Tecknet kommer från den utåtriktde enhetsnormlen: ˆN = i vid x =, ˆN = i vid x = b. ˆN = i ˆN = i b x Produktderiveringsregeln säger tt Tillsmmn med fundmentlstsen ger dett dvs prtiell integrtion [ ] b uv = Figur 1: Utåtriktde enhetsnormler. (uv) = u v + u v. (uv) dx = u v dx = [ ] b uv u v dx + u v dx. u v dx, Obs hur derivtn flyger över från u till v och tt insättningstermen inte innehåller någon derivt. Vi behöver en flervribelversion v dett. et finns fler versioner v fundmentlstsen och produktderivering, se formelsmlingen på insidn v pärmen i Adms. Vi väljer följnde. 1 12 mj 214, tig Lrsson, Mtemtisk vetenskper, Chlmers teknisk högskol 1

Fundmentlsts: Guss divergenssts (Theorem 8 i Adms 16.4; Teorem 6.14.1 i Kolsrud) (1) F dv = ˆN F d. Här är V ett område med orienterd, sluten rndyt och ˆN det utåtriktde enhetsnormlvektorfältet till. tsen relterr integrlen v divergensen F v vektorfältet F i till det utåtriktde flödet v F genom rnden. Flödesintegrlen ˆN F d = F ˆN d motsvrr insättningstermen [ ] b u(x) i den vnlig fundmentlstsen. Obs tt vektorn i vänsterledet ersätts v vektorn ˆN i högerledet. Produktderivering: (Theorem 3 (b) i Adms 16.2) (φf) = φ F + φ F. Tillsmmns med divergensstsen ger dett ˆN Fφ d = ˆN (φf) d = (φf) dv = dvs prtiell integrtion (2) V V Fφ dv = ˆN Fφ d F φ dv. V V Fφ dv + F φ dv, V Obs hur nbl-opertorn flyger över från F till φ och tt flödesintegrlen ˆN Fφ d inte innehåller någon derivt. Vektorn ersätts v ˆN i flödesintegrlen. 1.2 Härledning v värmeledningsekvtionen Vi sk härled värmeledningsekvtionen. Härledningen bygger på en konserveringslg, som uttrycker tt en viss kvntitet bevrs, smt en konstitutiv lg, som beskriver mterilets egenskper. Vi studerr sttionär tidsoberoende värmeledning i en kropp i rummet med begränsningsytn. Vi inför följnde beteckningr: u(x, y, z) temperturen [K] i punkten (x, y, z) [m], F(x, y, z) värmeflödestäthet (vektorfält) [J/(m 2 s)], (x, y, z) värmeledningskoefficient [J/(m K s)], f(x, y, z) källtäthet för inre värmekällor [J/(m 3 s)], u A (x, y, z) omgivningens tempertur ( mbient temperture ) [K], k(x, y, z) värmeöverföringskoefficient för det isolernde ytskiktet [J/(m 2 s K)], g(x, y, z) flödestäthet för värmekällor på ytn [J/(m 2 s)]. Konserveringslg: energiprincipen. Vi betrktr värmeblnsen i en godtycklig delvolym med begränsningsytn. Nettoflödet v värme ut genom är F ˆN d [J/s]. Här är ˆN den utåtriktde enhetsnormlen till ytn. Energiprincipen säger tt värmeflödet ut genom är lik med värmeproduktionen per tidsenhet inuti, dvs f dv [J/s]. Alltså F ˆN d = f dv. Vi tillämpr nu divergensstsen (1) på vektorfältet F: F ˆN d = F dv, 2

ˆN ˆN Figur 2: Kropp med godtycklig delvolym. vilket leder till ( F f ) dv =. Eftersom är godtycklig, så måste integrnden vr identiskt lik med noll, F f =, dvs (3) F = f i. Här hr vi nvänt tt en kontinuerlig funktion v som uppfyller tt v dv = för ll, måste vr identiskt noll, dvs v = i. För om v(p ), till exempel om v(p ) >, så måste v > även i en omgivning v P. Välj då tt vr denn omgivning, så fås v dv >, vilket strider mot ntgndet tt v dv = för ll. Konstitutiv lg: Fouriers lg. enn säger tt värmeflödestätheten är proportionell mot temperturgrdienten och tt värme strömmr från vrmt till kllt. ärför blir flödestätheten (4) F = u = grd u. Om vi sätter in dett i (3) får vi (5) ( u) = f i. ett är värmeledningsekvtionen. Ekvtion (5) måste kombiners med ett rndvillkor, som uttrycker tt värmeflödet genom rnden är proportionellt mot temperturdifferensen, plus eventuellt bidrg från värmekällor på rnden. Värmeflödestätheten ut genom rnden blir då F ˆN = k(u u A ) g på, där u är temperturen på insidn v rndytn, u A är omgivningens tempertur ( mbient temperture ), k är värmeöverföringskoefficienten för det isolernde ytskiktet, och g är tätheten för ett föreskrivet inflöde. Enligt Fouriers lg (4) hr vi F ˆN = u ˆN = ˆNu på, 3

där ˆNu = ˆN u betecknr normlderivtn v u, dvs riktningsderivtn i normlriktningen ˆN. ärför blir rndvillkoret (6) ˆNu + k(u u A ) = g på. (Robins rndvillkor) Gränsfllet k = svrr mot tt begränsningsytn är isolerd: och, om även g =, Om vi å ndr sidn dividerr med k i (6), och sedn låter k, får vi ˆNu = g på, (Neumnns rndvillkor) ˆNu = på. (Neumnns rndvillkor) 1 k ˆNu + (u u A ) = 1 k g, u = u A på. (irichlets rndvillkor) Gränsfllet k = betyder lltså tt begränsningsytn är helt oisolerd, dvs värme kn obehindrt strömm genom ytn och kroppens yttempertur blir då lik med omgivningens tempertur. Vi hr nu ett rndvärdesproblem: { ( u) = f i, Poissons ekvtion Om är konstnt får vi där ˆNu + k(u u A ) = g på. ( u) = u = u, u = u = 2 u x 2 + 2 u y 2 + 2 u z 2 är Lplce-opertorn. Värmeledningsekvtionen blir då (med = 1) u = f i, vilken klls Poissons ekvtion. Om f = får vi Lplces ekvtion: Andr beteckningr u = i. Vi hr nvänt Adms beteckningr. I ndr böcker beteckns den utåtriktde enhetsnormlen n eller n och normlderivtn skrivs u n. 1.3 vg formulering Vi hr ett Rndvärdesproblem. Finn u = u(x, y, z) sådn tt { ( u) = f i, (7) ˆNu + k(u u A ) = g på. 4

Vi multiplicerr med en testfunktion v och integrerr prtiellt, dvs vi nvänder (2) med F = u och φ = v: fv dv = ( u)v dv = ˆN ( u)v d + u v dv. I flödesintegrlen nvänder vi rndvillkoret: et leder till ˆN ( u) = ˆN u = ˆNu = g k(u u A ). fv dv = gv d + kuv d ku A v d + u v dv. Vi smlr termer med u i vänsterledet: u v dv + kuv d = fv dv + (g + ku A )v d. en svg formuleringen. Finn u = u(x, y, z) sådn tt (8) u v dv + kuv d = fv dv + (g + ku A )v d för ll testfunktioner v. irichlets rndvillkor är speciellt: om u = u A på en del 1 v rnden (eventuellt hel ), så måste vi välj testfunktioner v med v = på 1. en svg formuleringen blir då: en svg formuleringen. Finn u = u(x, y, z) med u = u A på 1 och sådn tt u v dv + kuv d = fv dv + (g + ku A )v d 2 2 för ll testfunktioner v med v = på 1. Här är 2 resten v, dvs 2 = \ 1. et betyder tt = 1 2 dels upp i icke överlppnde delr. 1.4 Finit elementmetoden i 2- Låt vr ett område i plnet och skp ett tringulärt beräkningsnät i. Nätet består v N punkter {P i } N i=1, M tringlr {T j } M j=1, L knter (edges) {E l } L l=1. En kontinuerlig och styckvis linjär funktion U(x, y) är v formen U(x, y) = + bx + cy inuti vrje tringel och hopskrvd till en kontinuerlig funktion. En sådn funktion bestäms entydigt v sin nodvärden U(P i ): (9) N U(x, y) = U i φ i (x, y), U i = U(P i ). i=1 5

Figur 3: Tringulärt beräkningsnät i plnt område. φ i = 1 φ i = P i Figur 4: Bsfunktion ( pyrmidfunktion ). Bsfunktionern {φ i } N i=1 är kontinuerlig styckvis linjär funktioner och bestäms v { 1, om i = j, φ i (P j ) =, om i j. Hur sk vi bestämm de okänd nodvärden U i = U(P i ) så tt U(x, y) = N i=1 U iφ i (x, y) blir en pproximtiv lösning till rndvärdesproblemet? Vi kn inte sätt in U i den ursprunglig formuleringen (7) för U hr inte två derivtor. Istället nvänder vi den svg formuleringen, se (8), u v da + kuv ds = fv da + (g + ku A )v ds C C för ll testfunktioner v. Eftersom vi nu rbetr i plnet hr vi bytt ut volymselementet dv = dx dy dz mot reelementet da = dx dy och istället för en ytintegrl över begränsningsytn hr vi en kurvintegrl längs rndkurvn C till området. Här sätter vi in U(x, y) = N i=1 U iφ i (x, y) och v = φ j. För enkelhets skull genomför vi dett endst för fllet k =, g =. Vi får ( N ) U i φ i φ j da = fφ j da, j = 1,..., N. i=1 Vi bryter ut koefficientern U i : N U i i=1 φ i φ j da = } {{ } = ji fφ j da, j = 1,..., N. } {{ } =b j 6

ett är på formen N ji U i = b j, j = 1,..., N, dvs ett linjärt ekvtionssystem för U i. Vi skriver på mtrisform: A U = b, i=1 med U = U 1. U N och styvhetsmtrisen (stiffness mtrix) 11... 1N A =....., ji = N1... NN φ i φ j da och lstvektorn (lod vector) b 1 b =., b j = b N fφ j d. Mtrisen A är symmetrisk: A = A T ( ij = ji ), stor: ntlet noder N är stort (t ex N = 1 3 eller mer) och gles (sprse): de flest mtriselementen ij =. Vi hr ij endst då motsvrnde noder P i och P j är grnnr. PE Toolbox Mtlb-progrmmet PE Toolbox ställer upp och löser ekvtionssystemet A U = b. 7

Problem Problem 1.1. () kriv ned rndvärdesproblemet för värmeledning i kvdrten x 1, y 1, med värmeledningskoefficienten 3, källtätheten 2 och omgivnde temperturen 1 på ll sidor. På sidn y = hr vi värmeöverföringskoefficienten 7 medn övrig sidor hr oändligt stor värmeöverföringskoefficient. Ing värmekällor på rnden. (b) kriv end den svg formen v dett rndvärdesproblem. Problem 1.2. mm som i Problem 1.1 men med värmeledningskoefficienten 1 + xy, ing värmekällor, omgivnde temperturen 1 överllt, ytskiktets värmeöverföringskoefficient för x =, och 7 för x = 1, och oändligheten för y = och y = 1. Problem 1.3. () kriv ned finit elementbsfunktionern φ 1, φ 2, φ 3 för ett nät som består v en end tringel T med hörnen P 1 = (, ), P 2 = (1, ), P 3 = (, 1). (b) Beräkn motsvrnde styvhetsmtris ij = T φ i φ j dx dy. Problem 1.4. kriv ned den svg formuleringen v () { ( u) + cu = f i V, u = u A på. (b) u = i V, u = u A på 1, ˆNu = g på 2, där u = u och = 1 2 (ej överlppnde). 8

vr och lösningr. 1.1. () På sidn y = hr vi g = och den utåtriktde normlvektorn ˆN = j så tt rndvillkoret blir u(x, ) ˆNu + k(u u A ) = 3( j) u(x, ) + 7(u(x, ) 1) = 3 + 7(u(x, ) 1) =. y Rndvärdesproblemet är 3 u(x, y) = 2 för x 1, y 1, u(x, 1) = u(, y) = u(1, y) = 1, u(x, ) 3 + 7(u(x, ) 1) =, y där u = u. (b) Finn u = u(x, y) sådn tt u(x, 1) = u(, y) = u(1, y) = 1 och 3 1 1 u(x, y) v(x, y) dx dy + 7 1 u(x, )v(x, ) dx = 2 1 1 för ll testfunktioner v = v(x, y) med v(x, 1) = v(, y) = v(1, y) =. v(x, y) dx dy + 7 1 v(x, ) dx 1.2. () På sidn x = hr vi = 1 + xy = 1, g =, k = och den utåtriktde normlvektorn ˆN = i så tt rndvillkoret blir u(, y) ˆNu + k(u u A ) = ( i) u(, y) = =. x På sidn x = 1 hr vi = 1 + xy = 1 + y, g =, k = 7 och den utåtriktde normlvektorn ˆN = i så tt rndvillkoret blir u(1, y) ˆNu + k(u u A ) = (1 + y)i u(1, y) + 7(u(1, y) 1) = (1 + y) + 7(u(1, y) 1) =. x Rndvärdesproblemet är ((1 + xy) u(x, y)) = för x 1, y 1, u(x, ) = u(x, 1) = 1, u(, y) =, x u(1, y) (1 + y) + 7(u(1, y) 1) =. x (b) Finn u = u(x, y) sådn tt u(x, ) = u(x, 1) = 1 och 1 1 (1 + xy) u(x, y) v(x, y) dx dy + 7 1 för ll testfunktioner v = v(x, y) med v(x, ) = v(x, 1) =. u(1, y)v(1, y) dy = 7 1 v(1, y) dy 1.3. () Bsfunktionern är v formen φ(x, y) = + bx + cy och lik med 1 en v nodern och i de övrig. Vi får φ 1 (x, y) = 1 x y, φ 2 (x, y) = x, φ 3 (x, y) = y. 9

(b) φ 1 (x, y) = i j, φ 2 (x, y) = i, φ 3 (x, y) = j. och så vidre. 11 = 12 = T T φ 1 φ 1 dx dy = 2 dx dy = 2 re(t ) = 1, T φ 1 φ 2 dx dy = ( 1) dx dy = re(t ) = 1 2 1 1 2 1 2 A = 1 1 2 2 1 1 2 2 T 1.4. () Finn u = u(x, y, z) med u = u A på och ( u v + cuv) dv = för ll testfunktioner v = v(x, y, z) med v = på. (b) Finn u = u(x, y, z) med u = u A på 1 och u v dv = för ll testfunktioner v = v(x, y, z) med v = på 1. 2 gv d fv dv 1