Региональный №1(65)2015 гуманит indd Тіркеу нөмірі 204-ж



Pdf көрінісі
бет2/60
Дата15.03.2017
өлшемі14,99 Mb.
#9288
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   60

F.S. AMENOVA

S. Amanzholov East-Kazakhstan State University, Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan

THE METHOD TO SOLvE iNCOMPRESSiBLE FLUiD 

EQUATiONS iN 

(

)



Ψ

,

 vARiABLES 



in this paper, we consider the question of convergence of solving two-dimensional op-

erator-difference problem for incompressible fluid in variables «stream function-vortisity» to 

solving differential problem. For error of solution estimation of convergence rate was got. 

iteration algorithm for numerical solution of operator-differenсe equations are examined. Es-

timation of convergence rate for iteration algorithm is got. 

ТеХНИКА, ТеХНОлОГИЯ ЖӘНе ФИЗИКАлыҚ-МАТеМАТИКАлыҚ ҒылыМдАР



11

Региональный вестник Востока

  

 



 

 

 



        

Выпускается ежеквартально



Keywords: difference problem, iteration algorithms, estimation of convergence rate.

(

)



Ψ

,



 АйНыМАлылАРыНдА СИПАТТАлҒАН СыҒылМАйТыН 

СҰйыҚТыҚТАРдың ТеңдеУлеРіН ШеШУ ӘдіСі

Мақалада  «ағын  және  құйын»  айнымалыларында  сипатталған  сығылмайтын 

сұйықтықтардың екіөлшемді операторлы-айырымдық есебі шешімінің дифференциалдық 

есеп шешіміне жинақталу сұрағы қарастырылған. Шешімнің қателігі үшін жинақталу 

жылдамдығының бағасы алынған. Операторлы-айырымдық есепті сандық шешу үшін 

итерациялық алгоритм қарастырылған. Қарастырылған итерациялық алгоритмдер үшін 

жинақталу жылдамдықтары анықталған.



түйін  сөздер:  айырымдық  есеп,  итерациялық  алгоритм,  жинақтылық 

жылдамдығының бағасы. 

MеТОд РеШеНИЯ УРАВНеНИй НеСЖИМАеМОй 

ЖИдКОСТИ В ПеРеМеННыХ 

(

)



Ψ

,

В  данной  работе  рассматривается  вопрос  о  сходимости  решения  двумерной 



операторно-разностной  задачи  для  несжимаемой  жидкости  в  переменных  «функция 

тока, вихрь скорости» к решению дифференциальной задачи. для погрешности реше-

ния  получена  оценка  скорости  сходимости.  Рассмотрен  итерационный  алгоритм  для 

численного  решения  операторно-разностных  уравнений.  Получена  оценка  скорости 

сходимости итерационного алгоритма.

Ключевые слова: разностная задача, итерационные алгоритмы, оценка скорости 

сходимости.

Sufficient number of scientific publications devoted to issues of numerical so-

lution of two-dimensional boundary problems for incompressible fluid equations in 

“stream  function,  vorticiy”  variables.  Descriptions  of  the  most  famous  computing 

technologies  used  at  conducting  computational  experiments  for  studying  different 

flows  of  incompressible  fluid  can  be  found  in  monographs  [1-3].  it  is  known,  that 

major  difficulties  arising  during  numerical  solution  of  Navier-Stokes  equations  for 

incompressible fluid related to implementation of boundary conditions for vorticity. 

Generally, in practice for finding values of vorticity at the boundary formulas which 

are approximating adhesion and speed components non-flowing conditions in physical 

formulation of considered problems [1, 5]. The most famous among them are Tom and 

Woods formulas having first and second order of accuracy respectively to determine 

vorticiy at the boundary [1, 5]. Sufficient number of papers devoted to theoretical and 

practical issues of usage of Tom’s formula at calculations of incompressible fluid flow 

and most recent of them [6-10].



Statement of the problem and finite-differential equations: in square domain 

D={0 ≤ x, y ≤ 1} let us study the following system of Navier-Stokes steady-state equa-

tions in variables stream function, velocity curl for incompressible fluid [1]:

F.S. AMENOvA. 1 (65) 2015. P. 10-20 

 

iSSN 1683-1667 



12

Тоқсанына бір рет шығарылады

  

 

 



 

         



Шығыстың аймақтық хабаршысы

 

,



)

,

(



-

y

x

f

x

y

y

x

+



=





Ψ











Ψ



ν



 



(1)

 

     



)

y

,



(

     


,

D

x



=

Ψ



 

(2)


with following boundary conditions

 

,



0

=

Ψ



=

Ψ

D



n



 

(3)



where 

0

>



ν

 is viscosity coefficient, 



n

 is outer normal to domain boundary, 



 is two-


dimensional Laplace operator, 

( )


y

x

,

 is some given function, 

Ψ

 is stream function, 



 is velocity curl.

For  approximation  of  equations  (1),  (2)  in  finite-difference  domain 

(

)



{

}

1



,

1

,



,

,

2



1



=

N

m

k

h

m

h

k

D

h

 , where 

1

h

 and 


2

h

 are grid steps in 



x

 and 


y

 di-


rections, respectively, we examine the following scheme on symmetrical pattern

 

,



)

(

f



L

h

h

+



=

Ψ



ν

 



(4)

 

    



=



Ψ



h

 

(5)


where 

h

L

 is difference operator, which complies with respective approximation of 

convectional summands of equation (1).

The difficulty to examine equation of incompressible fluid in variables 

)

,

( Ω



Ψ

 

is caused by the absence of boundary conditions for velocity curl while statement of 



differential problem. Tom’s work [5] was the first to offer a formula of first order of 

accuracy to define the value of the curl on the wall and it is still used up to now. [6-10]. 

in our investigation the boundary conditions for velocity curl are taken in the form of 

Tom’s formulas

 

1

,



1

,

2



,

2

,



1

0

,



1

0



=

Ψ



=

Ψ



=



N



m

h

h

m

N

x

m

N

m

x

m

,

 



1

,

1



,

2

,



2

,

2



,

2

0



=

Ψ



=



Ψ

=



N

k

h

h

N

k

y

N

k

o

k

y

k

 



(6)

ENGiNEERiNG, TECHNOLOGy, PHySiCAL AND MATHEMATiCAL SCiENCES



13

Региональный вестник Востока

  

 



 

 

 



        

Выпускается ежеквартально

in what follows, it is assumed that the solution of differential problem (1)-(3) 

has enough smoothness and for difference operator 



h

L

 the following conditions are 

satisfied

 

,



)

,

)



(

(

0



v

u

w

ñ

v

u

w

L

h

h

h



 

( )



,

v

,



,

0

)



,

)

(



(

h

h

h

D

u

u

u

w

L



=

  



(7)

where 


0

0

>



c

 is a uniformly bounded constant.

We observe that for difference problem (4)-(6) the following estimation is cor-

rect


f

h

Ψ



ν

.



Uniqueness condition of solutions. Let us show that at condition 

1

2



0

<

ν

f



c

the solution of the problem (4)-(6) will be unique.

Assume that we have two solutions 

(

)



1

1

,Ω



Ψ

 and 


(

)

2



2

,Ω

Ψ



. Then for differences 

2

1



2

1

,





=

Ψ



Ψ

=

Φ



Z

 we have differential problem: 

,

)

(



)

(

2



1

Z

Z

L

L

h

h

h

=



Ψ

+

Φ



ν

,



Z

h

=

Φ



with boundary conditions 

,

0

0



0

=

Φ



=

Φ

=



Φ

=

Φ



N

k

k

m

N

m

 

kN



y

kN

k

y

k

h

Z

h

Z

,

2



0

,

2



0

2

,



2

Φ



=

Φ

=



.

N

k

y

N

k

k

y

k

h

Z

h

Z

,

2



0

,

2



0

2

,



2

Φ



=

Φ

=



We have

(

)



2

2

0



2

2

,



)

(

Ψ



Φ



Φ

Ψ



Φ



h

h

h

h

c

Z

L

ν

,



(

)

0



2

2

0



Φ



Ψ



h

h

c

ν

.



Hence, if 

0

2



0

>

Ψ





h



c

ν

 or 



1

2

0



<

ν

f



c

,

F.S. AMENOvA. 1 (65) 2015. P. 10-20 



 

iSSN 1683-1667 



14

Тоқсанына бір рет шығарылады

  

 

 



 

         



Шығыстың аймақтық хабаршысы

then it should be 

0

=

Φ





h

,

i.e. the solution is unique.



About convergence of difference problem. We have the following equations 

for errors of solution

 

,

)



(

)

(



h

h

h

h

h

R

Z

Z

L

L

+



=

Ψ

+



Φ

ν



  

(8)


 

h

h

Q

+

=

Φ



(9)



with boundary conditions

( )


( )

h

D

y

x

y

x



=

Φ

,



,

0

,



,

,

2



,

2

,



1

0

0



,

1

0



m

N

m

N

x

m

N

m

m

x

m

r

h

Z

r

h

Z

+

Φ



=

+



Φ

=

 



 

,

2



,

2

,



2

0

0



,

2

0



N

k

N

k

y

N

k

k

k

y

k

r

h

Z

r

h

Z

+

Φ



=

+



Φ

=

 



(10)

where 


h

h

Q

,

 are residuals of difference equations (4) and (5), respectively, which 

are defined in the following way

( ) ( )


h

h

h

h

h

h

h

D

y

x

y

x

f

L

R

+





Ψ

=



,

,

,



)

(

ν



,

h

h

h

h

Q



Ψ

=



.

Currently we will multiply relation (8) by 

Φ

 and summarize on the units of grid 



h

D

. By doing so we will obtain the following main energy identical equation

(

) (


)

( )


(

)

Φ



Ψ

=



+

Φ



,

,

,



Z

L

R

Z

h

h

h

ν

.



Taking into account relations (9), (10) and by using summation by part formulas, 

we have


(

)

(



)

(

)



(

)

=



Φ

+

Φ



Φ

+



Φ

Φ



+

Φ





=

=



1

1

1



1

1

,



0

,

0



2

,

0



,

0

,



,

N

m

N

k

h

N

k

y

N

k

k

y

k

m

N

x

m

N

m

x

m

h

R

h

Z

Z

h

Z

Z

Z

ν

ν



ν

 

( )



(

)

,



Ψ

=



Z

L

h

ENGiNEERiNG, TECHNOLOGy, PHySiCAL AND MATHEMATiCAL SCiENCES



15

Региональный вестник Востока

  

 



 

 

 



        

Выпускается ежеквартально

(

)

+







Φ









+

Φ



Φ











+

Φ

+



Φ



Φ



=

2



1

1

,



,

1

0



,

0

0



,

1

2



2

,

h



r

h

r

h

Q

N

m

m

N

x

m

N

m

N

x

m

x

m

m

x

h

h

h

ν

ν



(

)

( )



(

)

,



,

,

2



2

1

1



1

,

,



2

0

,



0

0

,



2

Φ

Ψ



=

Φ

+







Φ









+

Φ



Φ











+

Φ

+



=



Z

L

R

h

r

h

r

h

h

h

N

k

N

k

y

N

k

N

k

y

k

y

k

k

y

ν

 



After simple transformation we will obtain the energy identical equation



=



=

=





Φ



+

Φ

+







Φ

+

Φ



+

Φ



1

1

1



2

,

2



0

,

2



1

1

2



2

,

2



0

,

1



2

2

2



N

k

N

k

y

k

y

N

m

m

N

x

m

x

h

h

h

h

h

ν

ν



ν

(

)



(

)



=



=

+



Φ

+

Φ



+





Φ

+



Φ

+

Φ



1

1



1

,

0



0

,

1



1

2

2



,

0

0



,

,

N



k

N

k

N

k

y

k

k

y

N

m

m

N

m

N

x

m

m

x

h

h

h

r

r

h

r

r

Q

ν

ν



ν

  

 



(

)

( )



(

)

Φ



Ψ

+

Φ



+

,

,



Z

L

R

h

h

(11)



Summands of energy identical equation (11), by using inequality (7), 

ε

 - in-



equality we estimate in the following way

(

)



,

4

1



,

2

1



2

1

h



h

h

h

h

h

Q

Q

Q

ε

ε



+

Φ



Φ



Φ



(

)



,

4

1



,

2

2



2

2

h



h

h

h

h

R

R

R

ε

ε



+

Φ



Φ



Φ



(

)

(



)

=

Φ



Ψ



+

Φ



Φ



Ψ





Φ

Ψ

h



h

h

h

h

h

h

Q

c

Z

c

Z

L

0

0



,

)

(



(

)

(



)

,

4



1

1

2



3

2

3



0

2

0







+

Φ



+

Ψ



Φ



+

Φ



Ψ



=

h

h

h

h

h

h

h

Q

c

Q

c

ε

ε



.

4

1



1

1

2



2

0

1



4

1

2



0

,

4



1

1

1



2

0

0



,

1

1



1

2

0



0

,





=

=



=







+

Φ



Φ

=



Φ

N

m

m

m

x

N

m

m

m

x

N

m

m

m

x

h

r

h

h

h

h

r

h

h

r

ε

ε



ν

ν

ν



 

By  means  of  inequalities  obtained  above  the  identical  equation  is  estimated 

F.S. AMENOvA. 1 (65) 2015. P. 10-20 

 

iSSN 1683-1667 



16

Тоқсанына бір рет шығарылады

  

 

 



 

         



Шығыстың аймақтық хабаршысы

(11):


(

)

(



)

+

Ψ



+

+



Φ



Ψ

+





2

3

0



2

2

2



1

2

3



0

2

1



4

4

1



4

1

h



h

h

h

h

h

Q

c

R

Q

c

ε

ε



ε

ν

ε



ε

ε

ν



ν

 

.



4

4

1



1

1

2



2

0

5



2

1

1



2

2

2



0

4

1





=

=







+

+





+



+

N

k

N

k

k

N

m

m

N

m

h

r

r

h

h

r

r

h

ε

ν



ε

ν

 



if we assume that

(

)



,

0

1



0

3

0



2

1

>



Ψ



+



δ

ε



ε

ε

ν



ν

h

c

where 


0

δ

 is some constant, then



,

3

2



0

h

M

h



Φ

δ



 

where М is a uniformly bounded constant, thus 

.

2

3



0

h

c

h



Φ

Further, we consider the questions of numerical solution for difference problem 



(4)-(6). Direct use of Tom’s boundary conditions for numerical implementation of dif-

ference equations (4), (5) causes the necessity to make the relaxation of boundary con-

ditions. if we omit this procedure while observing stability conditions then divergence 

of iteration schemes will be discovered. The most advanced iteration methods are used 

for difference equations (4) and (5), obtained after the introduction of velocity curl 

complementary function with homogeneous boundary conditions on the border. Fol-

lowing this, we will write the following boundary conditions and equations (4), (5)

 

( )



,

,

0



0

0

0



y

x

f

A

h

h

y

x

x

y

+

Ψ



+



=





 Ψ





 Ψ



ν

 



(12)

 

( ) ( )



,

,

,



,

h

h

D

y

x

y

x



=

Ψ



 

(13)


 

( )


( )

( )


,

,

,



0

,

,



h

D

y

x

y

x

y

x



=

=



Ψ

 

(14)



ENGiNEERiNG, TECHNOLOGy, PHySiCAL AND MATHEMATiCAL SCiENCES

17

Региональный вестник Востока

  

 



 

 

 



        

Выпускается ежеквартально

where 

(

)



(

)









=

=



Ψ

+



=

=



Ψ

+

=



Ψ



,

1

,



1

,

1



,

1

,



2

,

1



,

1

,



1

,

1



,

2

1



,

1

,



4

2

1



,

1

,



4

1

N



m

N

k

h

N

m

N

k

h

A

km

N

m

m

km

N

k

k

m

k

h

δ

δ



ν

δ

δ



ν

 



=



=

.



,1

,

,



0

,

m



k

m

k

m

k

δ



Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   60




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет