在有限元方法中积分域上的常微分方程

计算科学 有限元 芬尼克斯 康索尔
2021-12-21 23:25:40

我正在尝试更深入地了解有限元法 (FEM),以更好地了解我在 COMSOL 和 FEniCS 中所做的工作。

下面的草图显示了我想在 FEM 中解决的问题。矩形域类似于流动反应器。在流动反应器中,在 z 方向存在层流速度场,UZ. 直径为 D 的粒子沿着该流场行进。

粒子的大小根据以下关系变化:

dDdz=1DUZexp(α/D)

我确实知道域左侧粒子的大小,即我有它们的初始值。

我实际上想找到的是域右侧(标记为出口)的粒子大小。

在此处输入图像描述

现在这是我的问题: 我不确定 FEM 是否真的适合解决这样的问题,这可能是由于我(可能是错误的?)对该方法的理解。我目前对 FEM 的理解是,在建立求解系统的矩阵方程时,我需要指定所有边界条件。因为在我的情况下,我实际上试图在域的右边界上找到 D(即粒子直径),所以我的问题似乎不适用于 FEM。

我已经在有限差分中解决了这个问题,我刚刚从域的左侧开始并在 z 方向上集成了一个方程组(对应于上述方程)。这比 FEM 更直接(似乎)。

请让我知道,如果我的理解是正确的或不正确的。我很乐意获得参考资料来阅读此内容。

2个回答

您似乎对求解哪个方程感到困惑。你有两个:(i)流动方程,(ii)你的粒子属性的方程D.

有限元法适用于本文的第 1 部分。或者,如果你真的只有一个具有层流的管道,那么你实际上知道流场是什么(即泊肃叶流),你根本不需要解决任何问题。

对于第二部分,您只需要能够沿粒子的轨迹进行积分。对于泊肃叶流,这是一条具有恒定速度的直线,具体取决于管道内线的跨度位置,但通常您需要能够评估任意点的流场。这在有限元或有限差分环境中同样简单或困难,具体取决于您是否具有均匀或非结构化网格。在任何情况下,如果您可以评估速度场,那么您就知道粒子的轨迹,并且您可以沿它积分您的 ODE。

FEM 用于解决边值问题。你这里有一个初始值问题(假设αUz是常数或函数z),与求解时间相关 ODE 相同,但此处除外z是你的时间坐标。解决此类问题的适当方法是使用时间积分方法,例如 Runge-Kutta 方案。

在需要时间精度的 FEM 应用中,FEM 方面只处理空间离散化,而时间积分方法处理与时间相关的方面——它们是不同的部分。