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Materiais relacionados à disciplina de computacional fluid dynamics i, com ênfase nos métodos numericos para equações hiperbólicas. O documento aborda temas como o método de ftcs, o método upwind, a estabilidade em termos de fluxos, a conservação e o método de courant-friedrichs-levy (cfl). Além disso, são discutidos os esquemas centrais e de ordem superior, como o método de lax-friedrichs e o método de lax-wendroff.
Tipologia: Notas de estudo
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Grétar Tryggvason!
Spring 2009!
http://users.wpi.edu/~gretar/me612.html!
FTCS and upwind!
Stability in terms of fluxes!
Generalized upwind!
Second order schemes for smooth flow!
Modified Equation!
Conservation!
Computational Fluid Dynamics I
2
f
∂ t
2
− c
2
2
f
∂ x
2
∂u
∂t
− c
2
∂v
∂x
∂v
∂t
∂u
∂x
The wave equation:!
Write as:!
In general:!
∂ u
∂ t
∂ v
∂ t
a
11
a
12
a
21
a
22
∂ u
∂ x
∂ v
∂ x
Most of the issues involved can be addressed by examining:!
∂ f
∂ t
∂ f
∂ x
Computational Fluid Dynamics I
Computational Fluid Dynamics I
We will start by examining the linear advection equation:!
∂ f
∂ t
∂ f
∂ x
The characteristic for this equation are:!
dx
dt
df
dt
Showing that the
initial conditions are
simply advected by a
constant velocity U!
t
f
f
x
Computational Fluid Dynamics I
A simple forward in time, centered in space
discretization yields!
! f
! t
! f
! x
f
j
n + 1
= f
j
n
Δ t
2 h
U ( f
j + 1
n
− f
j − 1
n
j-1 j j+
n
n+
This scheme is O(Δt, h
2
) accurate, but a stability
analysis shows that the error grows as!
ε
n + 1
ε
n
= 1 − i
U Δ t
2 h
sin kh
Since the amplification
factor has the form 1+ i ()
the absolute value of this
complex number is always
larger than unity and the
method is unconditionally
unstable for this case.!
i
U Δ t
2 h
sin kh
1
ε
n + 1
ε
n
A simple forward in time but “upwind” in space
discretization yields!
∂ f
∂ t
∂ f
∂ x
f
j
n + 1
= f
j
n
Δ t
h
U ( f
j
n
− f
j − 1
n
j-1 j
n
n+
This scheme
is O(Δt, h)
accurate.!
Another scheme for!
Flow direction!
Computational Fluid Dynamics I
To examine the stability we use the von Neumanʼs method:!
ε
j
n + 1
− ε
j
n
Δ t
U
h
( ε
j
n
− ε
j − 1
n
) = 0
ε
j
n
= ε
n
e
ikx j
ε
n + 1
− ε
n
Δ t
ε
n
h
( 1 − e
− ikh
) = 0
The evolution of the error is governed by:!
Write the error as:!
ε
n + 1
ε
n
U Δ t
h
( 1 − e
− ikh
ε
n + 1
ε
n
= 1 − λ( 1 − e
− ikh
), λ =
U Δ t
h
Amplification factor!
G = 1! " + " e
! ikh
Or:!
Need to find when! G < 1
Computational Fluid Dynamics I
Stable!
Im( G )
1
1
kh
λ
1-λ
G
This restriction was first
derived by Courant, Fredrik,
and Levy in 1932, and is
usually called the Courant
condition, or the CFL
condition.!
− ikh
Stability condition: λ<1!
Graphically:!
Computational Fluid Dynamics I