پژوهش های ریاضی، جلد ۶، شماره ۳، صفحات ۴۴۹-۴۶۴

عنوان فارسی حل دستگاه معادلات برگرز دوبعدی با استفاده از طرح‌های تفاضلات متناهی نیمه-لاگرانژی
چکیده فارسی مقاله در این مقاله قصد داریم طرح‌های تفاضلات متناهی نیمه-لاگرانژی را برای دستگاه معادلات برگرز دوبعدی تعمیم دهیم. طرح پیشنهادی به شرط کورانت-فردریش-لوی (CFL) محدود نیست و بنابراین می‌توان اندازه گام‌های زمانی بزرگی انتخاب کرد. طرح پیشنهادی قابلیت موازی‌سازی خوبی دارد و در اصل یک طرح یک-بعدی موضعی (LOD) است که بر اساس راه‌کار معادله تغییر یافته به‌دست آمده است و برای حل دستگاه معادلات برگرز به‌کار می‌رود. یک ویژگی خوب روش مطرح‌ شده آن است که در هر تکرار زمانی کافی است دو دستگاه خطی سه‌قطری حل شود و از این نظر حجم محاسباتی روش پائین است.
 
کلیدواژه‌های فارسی مقاله دستگاه معادلات برگرز، طرح تفاضلات متناهی نیمه-لاگرانژی، راه‌کار معادله تغییریافته، طرح یک-بعدی موضعی.

عنوان انگلیسی Solving a System of 2D Burger's Equations using Semi-Lagrangian Finite Difference Schemes
چکیده انگلیسی مقاله Introduction
Following and generalizing the excellent work of Wang et ‎al. ‎[26], ‎we extract here some new scheme‎s, ‎based on the‎ ‎semi-Lagrangian discretization‎, ‎the modified equation theory‎, ‎and‎ ‎the local one-dimensional (LOD) scheme for computing solutions to a‎ ‎system of two-dimensional (2D) Burgerschr('39') equations‎. ‎A careful error‎ ‎analysis is carried out to demonstrate the accuracy of the‎ ‎proposed semi-Lagrangian finite difference methods‎. ‎By conducting‎ ‎numerical simulation to the nonlinear system of 2D Burgers‎’ ‎equations (3.1), ‎we show high accuracy and‎ ‎unconditional stability of the five-point implicit scheme (3.32-3.33)‎. ‎The results of‎ [26] and this paper confirm that the classical modified‎ ‎equation technique can be easily extended to various 1D as well as 2D‎ ‎nonlinear problems‎. ‎Furthermore, a new viewpoint is opened to‎ ‎develop efficient semi-Lagrangian methods‎. ‎Without using suitable‎ ‎interpolants for generating the solution values at the departure‎ ‎points‎, ‎we are not able to apply our method‎. ‎Instead of focusing our‎ ‎concentration on dealing with the effect of various interpolation‎ ‎methods‎, ‎we focus our attention on constructing some‎ ‎explicit and implicit schemes‎. ‎Among various interpolants which‎ ‎can be found in the literature [6], [21], ‎we just‎ ‎exploit the simplest and more applicable interpolants‎, ‎i.e.‎, ‎B-spline and Lagrange interpolants‎. Some semi-Lagrangian schemes are developed using the modified equation‎ ‎approach‎, i.e., ‎a six-point explicit method (which suffers from the‎ ‎limited stability condition)‎, ‎a six-point implicit method (which‎ ‎has unconditional stability but low order truncation error)‎, ‎and a‎ ‎five-point implicit method‎ (3.32-3.33) which has‎ ‎unconditional stability and high order truncation error‎. ‎In each‎ ‎step of this scheme, we must solve two tridiagonal linear systems‎ ‎and therefore its computational complexity is low‎. ‎Furthermore, it‎ ‎can be implemented in parallel‎. ‎As mentioned in [26], ‎this algorithm can be naturally‎ ‎extended to the development of efficient and accurate‎ ‎semi-Lagrangian schemes for many other types of nonlinear‎ ‎time-dependent problems‎, ‎such as the KdV equation and ‎Navier-Stokes equations‎, ‎where advection plays an important role‎. ‎We tried in  [9] to apply this approach to the KdV equation but‎ ‎constructing an implicit method which has unconditional stability‎ ‎and high order truncation error needs some considerable symbolic‎ ‎computations for extracting the coefficients of the scheme‎.
Material and methods
For constructing five-point implicit scheme‎ (3.32-3.33), we need to exploit Lagrange or B-spline interpolation method, ‎‎modified equation approach‎ and ‎local‎one-dimensional technique. The five-point implicit scheme is unconditional stable, has satisfactory order of convergence and its computational costs is low.
Results and discussion
Using the modified equation‎ ‎approach, some semi-Lagrangian schemes for solving a‎ ‎system of 2D Burgerschr('39') equations are developed here which are:
  • A six-point explicit method which is conditionally stable ‎ and its order of truncation error is low,
  • ‎A six-point implicit method which‎ ‎has unconditional stability and its order of truncation error is not high‎,
  • A five-point implicit method‎ which has‎ ‎unconditional stability, high order truncation error  and resonable computational complexity‎.
Conclusion
We encapsulate findings and conclusions of this research as follows:
  • Our‎ ‎proposed scheme is a local one-dimensional scheme which‎ ‎obtained on the basis of the modified equation approach,
  • Our semi-Lagrangian finite‎ ‎difference scheme is not limited by the‎ ‎Courant‎- ‎Friedrichs-Lewy (CFL) condition and therefore we can‎ ‎apply larger step size for the time variable,
  • The five-point implicit method‎ proposed is a‎ high order ‎unconditionally stable method with resonable computational costs‎.
کلیدواژه‌های انگلیسی مقاله System of 2D Burgers&apos, equations‎, ‎Semi-Lagrangian‎ ‎finite difference scheme‎, ‎Modified equation approach‎, Local‎ ‎one-dimensional approach‎‎.

نویسندگان مقاله رضا مختاری | Reza Mokhtari
Isfahan University of Technology
دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکدۀ علوم ریاضی

الهام فیض‌اللهی | Elham Feizollahi
Isfahan University of Technology
دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکدۀ علوم ریاضی


نشانی اینترنتی http://mmr.khu.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-412-1&slc_lang=fa&sid=1
فایل مقاله فایلی برای مقاله ذخیره نشده است
کد مقاله (doi)
زبان مقاله منتشر شده fa
موضوعات مقاله منتشر شده جبر
نوع مقاله منتشر شده مقاله استخراج شده از پایان نامه
برگشت به: صفحه اول پایگاه   |   نسخه مرتبط   |   نشریه مرتبط   |   فهرست نشریات