等效于狄利克雷边界的非平稳 PDE 没有通量 Neumann 边界条件?

计算科学 有限差分 边界条件 数字
2021-12-12 10:28:48

在非平稳 PDE 中使用无通量 Neumann 边界条件(即边界上法线的零导数)时,我似乎没有认识到直接使用 Dirichlet 边界条件的区别......

由于初始值规定了边界在时必须采用的值,并且我们强制这些值不能在没有通量的情况下改变,这不等同于简单地在边界处的规定初始值(即狄利克雷边界,恒定时间)?T=0T

2个回答

这取决于您正在求解的方程。例如,考虑以下带有源项的热方程:

dTdt2T=S

如果,那么你有一个源项,它随着时间的推移改变温度的值。因此,即使您的初始条件是,您的温度也会因为源项而升高。然后,具有狄利克雷或诺依曼边界条件将导致完全不同的结果。如果您有狄利克雷(例如),则该边界将保持为 0。如果您有 Neumann,则边界处的梯度将保持为 0,因此温度会由于源项而增加。因此,您最终会得到完全不同的温度曲线。S0T(x,t)=0T=0

您可以使用许多其他示例来解释相同的现象。这些是非常不同类型的 BC,我会邀请您解决一维瞬态传热问题并尝试使用两种 BC,您会发现最终的温度曲线会有很大不同!

首先,在多于一维的情况下,用齐次诺依曼边界条件规定导数的零值仅在一个方向上,例如温度可以沿边界变化。其次,那里的时间导数可以是非零的,此外,即使在一维情况下,在边界点的任意小邻域中通量也可以是非零的。说明它的最简单的函数是 T(x,t)=t。查看上述两种边界条件之间差异的最佳方法是运行相关仿真。