• Nie Znaleziono Wyników

5.1. Z a le ż n o ś c i o g ó ln e

Równanie H elm holtza jest jed n ym z fundamentalnych równań fizyki m a­

tem atycznej. Do rozw iązania tego równania sprowadza się m iędzy innymi rozwiązanie problemu wyznaczania funkcji własnych i wartości własnych za­

gadnienia S tu rm a-Liouville’a, problemu w ym iany ciepła w żebrach, analizy drgań, problemu rozprzestrzeniania się fal itp.

N ie precyzując problemu fizycznego, przyjm iem y dla ustalenia uwagi, że równanie H elm holtza dotyczy pola tem peratury T . Równanie H elm holtza przyjm ie wówczas postać

V 2T + 72 T = 0 (5.1)

gdzie: 7 - stały współczynnik.

Porównując równania (5.1) i (1.6) stwierdzamy, że równanie H elm holtza m ożna interpretować jako równanie opisujące ustalone przewodzenie ciepła ze źródłem , którego wydajność jest liniowo zależna od tem peratury. Doko­

nując więc następujących podstawień

6(0) = > T (5.2)

k = > - 2 (5.3)

7

m ożem y wprost w ykorzystać rezultaty przedstawione w rozdziałach 1 oraz 2. W szczególności mamy

, d T 1 d T

86 5. Za tosowanie W Z W do analizy równania H elm holtza

j( U = V 2 6(o) = V 2T = _ 7 2 T ( g g )

* U)(ł) = - k ^ — = - y 2 q (5.7) Przekształcając całkę po obszarze, otrzym ujem y więc

Do = y2

J

( T * w q - ?*(1> Г ) d r + D x (5.8) R óżnica pom iędzy całkami D\ i D o sprowadza się do innego mnożnika i innego rzędu rozwiązania podstawowego

D l = - y 2 f T ' ( x ) T d S l (5.9)

J n

Kontynuując proces całkowania przez części autor rozprawy sprowadził całkę Do po obszarze f i do następującego szeregu całek po brzegu Г [58]

oo ,

D 0 = V ( - l ) V (i+1) / ( T * {j+ 1 )q - q ^ +1^ T ) d r (5.10)

i- o Jl

P o prostych przekształceniach algebraicznych i uwzględnieniu równań (5.10) oraz (1.9) otrzym uje się następującą brzegową reprezentację równania H elm holtza [58]

—2 Ci Ti + V ( - l [ q*b) T d r — ] P ( - 1 ) V J' [ T mW q d T (5.11)

7 i=o Jr i=o Jr

D yskretyzację równania (5.11) przeprowadza się w zw yk ły sposób, dzie­

ląc brzeg T na elem enty brzegowe i wprowadzając macierze wpływu. W ten sposób równanie całkowe (5.11) przekształca się w układ równań algebra­

icznych, który w zapisie m acierzowym przybiera postać

{ £ ( - 1 ^ * } T = { E ( - i) V iG>} q (5-12)

” Zbierając” odpowiednio m acierze w pływ u H j i G j , m ożna równaniu (5.12) nadać następującą ostateczną form ę

H T = G Q (5.13)

W arto zauważyć, że w analizowanym problem ie człon źródłow y nie ge­

neruje m acierzy kolumnowej w yrazów wolnych, lecz m odyfikuje macierze wpływ u.

W prow adzając warunki brzegowe, równanie (5.13) przekształcam y do postaci (1.29) i rozw iązujem y ze względu na nieznane tem peratury T i stru­

mienie ciepła q.

Przedstaw ioną m etodykę zastosujemy teraz do rozwiązania prostego p rzy­

kładu.

5.1. Zależności ogólne 87

P r z y k ł a d 5.1. R ozw iązanie równania Helm holtza

R ozw iązania równania Helm holtza poszukiwać będziem y m etodą W Z W w prostokącie o wym iarach 1x0.2, którego dyskretyzację pokazano na rys.5.1.

W zd łu ż boków A B i C D założono jednorodny warunek brzegow y II rodzaju q = 0, zaś w zdłuż boków A D i BC zadano wartość temperatury.

A

D

B C

Rys. 5.1. Dyskretyzacja brzegu przy rozwiązywaniu równania Helmholtza F ig. 5.1. Boundary discretization when solving H elm holtz equation

współrzędna x.

Rys. 5.2. Porów nanie wyników W Z W z rozwiązaniem analitycznym równa­

nia Helmholtza

Fig. 5.2. C om parison o f M R M results with analytical solution f o r H elm ­ holtz equation

Lin ie ciągłe na rys.5.2 reprezentują rozwiązanie analityczne problemu dla dwóch różnych wartości współczynnika 7. Kółeczka i kwadraciki ozna­

czają rezultaty obliczeń numerycznych przeprowadzonych m etodą W Z W . Jak wynika z rys.5.2, bardzo dobrą dokładność obliczeń osiągnięto przy

8 8 5. Zastosowanie W 7. W do analizy równania Ilclm h o ltza

uwzględnieniu jedynie trzech wyrazów szeregów w równaniu (5.12). Jedno­

cześnie należy zaznaczyć, że dla większych wartości współczynnika 7 potrze­

bna m oże być drobniejsza dyskretyzacja brzegu oraz większa liczba wyrazów szeregu w równaniu (5.12).

5.2. O b lic z a n ie w a rt o ś c i w ła s n y c h

N a początku niniejszego rozdziału zakładaliśmy, że współczynnik 7 w rów­

naniu Helm holtza jest znany. Dla zadanych warunków brzegowych poszuki­

waliśmy rozkładu tem peratury T i strumienia ciepła q.

Obliczanie wartości własnych zagadnienia brzegowego polega na poszu­

kiwaniu takich wartości (zw yk le nieskończonego ciągu wartości) współczyn­

nika 7, które pozwalają otrzym ać nietrywialne rozwiązania równania (5.1) spełniające jednorodne warunki brzegowe.

Pierw szym krokiem analizy jest uzyskanie równania (5.13). Następnie grupujemy oddzielnie warunki brzegowe Dirichleta i Neumanna. Warunek brzegow y I I I rodzaju jest liniową kombinacją dwóch poprzednich i jako nie wnoszący zasadniczych trudności nie będzie tutaj dyskutowany. Celem uproszczenia notacji przyjm iem y, że warunek brzegowy Dirichleta sformuło­

wany jest na tej części brzegu, której odpowiada pierwsza część m acierzy kolumnowych T i Q . Warunek brzegowy Neumanna sformułowany jest na pozostałej części brzegu. Wówczas układ równań (5.13) zapisze się schema­

tycznie w następujący sposób

{ H T H , } | £ J = { G T G , } | Q0T } (5.14)

P o prostym przekształceniu otrzym ujem y układ równań jednorodnych

A X = 0 (5.15)

przy czym bloki m acierzy głównej A zbudowane są z bloków m acierzy w pływ u zgodnie ze schematem

A = { — Gt H , } (5.16)

W skład m acierzy niewiadomych X wchodzą odpowiednio

x = {

t

} <5 1 7 >

Warunkiem koniecznym otrzym ania nietrywialnych rozwiązań układu (5.15) jest zerowanie się wyznacznika głównego macierzy A

d e t A = 0 (5.18)

5.2. O bliczanie wartości własnych 89

N ależy podkreślić, że w przeciwieństwie do klasycznego sformułowania brzegowego [12], w którym konieczne jest prowadzenie obliczeń w prze­

strzeni zmiennej zespolonej, przedstawione podejście wykorzystuje jedynie zm ienne rzeczywiste. Elementy m acierzy A są wielomianami ze względu na współczynnik . Innymi słowy. ”, pojawia się w uzyskanych równaniach bez­

pośrednio, nie zaś jak w sformułowaniu klasycznym, wpływa na współczyn­

niki m acierzy A w sposób pośredni (poprzez całkowanie wzdłuż brzegu).

W szystko to prowadzi do znacznego uproszczenia analizy i oszczędności czasu obliczeń.

W szczególnych wypadkach równanie (5.18) może być numerycznie kło­

potliw ym warunkiem do poszukiwania wszystkich wartości własnych. W pracach [28]. [29] i [30] zaproponowano jego modyfikację, która choć nieco bardziej rozbudowana, jest efektywna numerycznie i wciąż obowiązuje w przestrzeni zm iennej rzeczywistej.

P r z y k ł a d 5.2. Częstotliwości własno przekroju poprzecznego tunelu

Zagadnienia obliczania wartości własnych zilustrowano problemem wyzna­

czania częstotliwości własnych tunelu, którego przekrój pokazany jest. na rys.5.3.

Rys. 5.3. M odel yiom ctryczny lin iflii: u) dyskn tyzucjn MICH: b) dyskrety- ziicjti M E S

Fig. 5.3. G eom etrie m od il o f Ilu lunni.l: n) H E M discrcliztition: b) E E M discretizalion

A n alizy dokonano, przeszukując przedział 0 < * ,< 9 i stosując jed yn ie 18 stałych elem entów brzegowych. Ta sama analiza przeprowadzona m etodą

90 5. Zastosowanie W Z W do analizy równania JleJmholtza

elementów skończonych w ym agała 45 elementów kwadratowych ze 158 węzłami.

Na podstawie rys.5.3 widać istotne oszczędności na etapie generacji modelu geom etrycznego ciała. Oszczędności te stają się jeszcze bardziej widoczne w przypadku zadań trójwym iarowych.

Tablica 5.1 Częstotliwości własne tunelu [Hz]

R ozw iązanie W Z W 22.01 25.35 36.73 41.04 48.48 53.34 55.55 R ozw iązanie M ES 22.00 25.35 36.65 41.14 48.71 53.38 55.54

R ezu ltaty obliczeń m etodą W Z W [28] przeliczono na częstotliwości w ła­

sne, przyjm ując jako prędkość dźwięku 343.51 m/s. Tablica 5.1 zawiera po­

równanie rezultatów W Z W z rezultatam i M ES.

R ozdział 6

Zastosowanie W Z W

Powiązane dokumenty