Бикомпактные разностные схемы и численная диагностика особенностей тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.07 ВАК РФ

004616315

КОРЯКИН ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

БИКОМПАКТНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ И ЧИСЛЕННАЯ ДИАГНОСТИКА ОСОБЕННОСТЕЙ

01.01.07 - вычислительная математика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

-9 ДЕК 2010

Москва-2010

004616315

Работа выполнена в отделе физико-химических свойств вещества Института математического моделирования РАН.

Научный руководитель:

член корреспондент РАН, доктор физико-математических наук

Калиткин Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Тупчиев Виль Асадулаевич,

Обнинский государственный технический университет атомной энергетики.

кандидат физико-математических наук, доцент Алфимов Георгий Леонидович,

Московский государственный институт электронной техники (технический университет).

Ведущая организация:

Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, кафедра математики.

Защита состоится 17 декабря 2010 года в 16:00 на заседании диссертационного совета Д501.002.09 при Московском

государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, стр. 4, НИВЦ МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИВЦ МГУ. Автореферат разослан « ({) » _2010г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Суворов В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Значительная часть современных инженерных разработок приводит к постановке задач в слоистых средах. Сюда можно отнести задачи микроэлектроники, оптики, геофизики и других инженерных и научных областей.

Решение таких задач осложняется тем, что свойства среды зачастую меняются скачкообразно, то есть коэффициенты, входящие в состав уравнений модели имеют разрывы первого рода. Это сильно затрудняет построение разностных аппроксимаций, так как любая аппроксимация через разрыв приводит к локальной потере точности и, как следствие, к потере точности всего расчёта.

В настоящей работе предлагается новый тип разностных схем — так называемые бикомпактные схемы, основной принцип построения которых можно сформулировать так: при построении аппроксимации пространственных производных необходимо использовать двухточечный шаблон и при этом не использовать полуцелые узлы.

Другая актуальная проблема, решение которой приводится в данной работе - это диагностика особенностей точных решений обыкновенных дифференциальных уравнений по результатам численного интегрирования.

Цель работы - во-первых, разработать надёжный численный алгоритм, позволяющий решать широкий круг дифференциально-алгебраических задач в слоистых средах. Во-вторых, разработать методику, позволяющую при численном интегрировании дифференциальных уравнений контролировать точность получаемого решения, диагностировать наличие и определять тип особенности точного решения.

Научная новизна. Предложен новый тип разностных схем - так называемые бикомпактные схемы, применение которых особенно актуально для решения задач в слоистых средах, но они также могут использоваться и для задач в гомогенных средах, но, например, на неравномерных сетках. Для апробации методики на реальной сложной инженерной задаче, пространственная аппроксимация бикомпактного типа была записана для системы уравнений диффузионно-дрейфовой модели полупроводникового диода, что позволило решить эту систему целиком, без введения упрощающих предположений.

Впервые была предложена простая и очень эффективная методика диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании ОДУ.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе численные методы закрывают практически важные проблемы, с которыми вычислители сталкиваются регулярно.

Так, идея бикомпактности резюмирует множество наработок, сделанных другими в области компактных схем, и выделяет в отдельный класс с особыми свойствами схемы, записанные на двухточечном шаблоне. Подробно исследованы свойства таких схем и их применимость к задачам в слоистых средах и к задачам на неравномерных сетках.

Методика диагностики особенностей точных решений позволяет создавать программы для численного интегрирования ОДУ, которые помимо получения решения, проводят диагностику точного решения задачи на наличие особенностей и даже диагностируют положение и тип особенности. При помощи этой методики возможна диагностика даже таких тонких особенностей, как ограниченность числа непрерывных производных.

Личное участие автора в выполнении работы. Постановка задач, решаемых в диссертации, была выполнена автором совместно с научным руководителем, членом-корреспондентом РАН, д.ф.-м.н. Николаем Николаевичем Калиткиным и участницей научной группы под руководством H.H. Калиткина к.ф.-м.н., доцентом Еленой Александровной Алыпиной (руководитель дипломной работы автора).

Лично автором было сделано большинство аналитических выкладок, реализованы в виде программ все изложенные в работе методы, проведены все необходимые тестовые расчёты, часть которых привела к результатам, давшим толчок к дальнейшим аналитическим исследованиям.

Постановка тестовой задачи о моделировании процессов в полупроводниковом диоде, решение которой приводится в третьей главе, была сделана д.ф.-м.н. Игорем Натановичем Горбатым. Вывод разностной схемы для решения этой задачи, программная реализация, отладка и расчёты сделаны автором лично.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Построен и исследован новый тип разностных схем применительно к уравнению теплопроводности. Построены схемы разных порядков точности. Исследована устойчивость схем.

2. Разработана оригинальная методика диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений.

3. Подробно описана методика написания программ интегрирования ОДУ с контролем точности получаемого решения и автоматической диагностикой особенностей.

4. Проведены расчёты, подтверждающие возможность расширения методики для диагностики особенностей при решений систем ОДУ и уравнений в частных производных.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались и обсуждались на нескольких российских и международных конференциях, среди которых были Международный конгресс математиков в Мадриде в 2006 году, конференция памяти А.Ф. Сидорова «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», Всероссийская школа-семинар "Современные проблемы математического моделирования". По материалам диссертации сделан доклад на совместном семинаре Института математического моделирования РАН и кафедры математического моделирования Московского физико-технического института (март 2010). Также были сделаны доклады на семинаре кафедры математики Физического факультета МГУ (октябрь 2009) и на семинаре Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ (апрель 2010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 96 страниц, рисунков 34, таблиц 8. Список литературы включает 60 наименований.

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 14 работ, основные из которых представлены в конце автореферата. Среди прочих две публикации были сделаны в Докладах Академии Наук, одна в Журнале Вычислительной Математики и Математической Физики и одна в журнале Математическое Моделирование.

Краткое содержание работы.

Введение включает в себя краткое описание проблем, решаемых в работе, постановку целей и оценку полученных результатов. Кроме того, во введении приводятся ссылки на опубликованные работы и сделанные доклады по полученным результатам. Также введение содержит краткое содержание глав.

Первая глава посвящена новому типу разностных схем — так называемым бикомпактным схемам. Сначала рассматриваются классические подходы к записи разностных аппроксимаций пространственных производных [1]. Обсуждаются проблемы, возникающие при использовании классических пространственных шаблонов, производится краткий анализ применимости подходов для задач в слоистых средах. Далее обсуждаются компактные разностные схемы [1-2], приводится обзор результатов, полученных другими исследователями в этой области [4-22].

Так, например, в работах В.И. Паасонена [6-10] делается ряд обобщений компактных схем, в том числе на криволинейные системы координат. Рассматривается компактная аппроксимация для уравнений типа «конвекция-диффузия», известная проблема решения которых заключается в некой неоднозначности в постановке граничных условий.

В работах [11-13] рассматривается построение компактных схем порядка точности до 6-го включительно, в том числе для неравномерных сеток. В работе [14] проводится анализ структуры ошибки компактной схемы 6-го порядка для уравнения диффузии с конвективным членом. Исследования компактных схем для волнового уравнения выполнены в работах [15-16].

Среди прочих результатов хочется отдельно сказать о работах, посвященных схемам, которые иногда называют «суперкомпактными» и в которых используются только два узла, то есть локально задача замыкается в пределах одного интервала (ячейки) сетки. В работе [17] приводится метод построения аппроксимаций вторых производных до 6-го порядка точности включительно. Двухточечная аппроксимация 4-го порядка так же приводится в [18] и будет рассмотрена в этой главе, однако анализ литературы, проведённый авторами [5] говорит о том, что впервые такая аппроксимация появилась в [19].

В работе [4], на примере начально-краевой задачи для линейного однородного уравнения теплопроводности в сплошной среде, подробно исследованы схемы, использующие двухточечную аппроксимацию 4-го порядка по пространству вкупе с различными методами интегрирования по времени. В [5] предлагается оригинальный подход к записи аппроксимации 4-го порядка для пространственной производной уравнения переноса. Авторами предлагается в качестве вспомогательной функции использовать первообразную искомой функции. Это даёт возможность воспользоваться формулой Эйлера-Маклорена.

Решение задач в слоистых средах осложняется тем, что очень трудно построить аппроксимацию, дающую высокий порядок точности на стыках сред. Если задавать сетку так, что граница сред лежит между узлами сетки, то построить адекватную аппроксимацию тяжело. Будем выбирать сетку так, чтобы её узлы попадали на границы слоев. Такие сетки называют специальными. Однако если шаблон аппроксимации содержит три и более пространственных узла, то специальные сетки не спасают, так как всё равно приходится делать аппроксимацию через разрыв, что понижает локальную точность расчёта.

Отметим здесь, что конкретно для уравнения теплопроводности A.A. Самарским была построена общеизвестная классическая схема, с аппроксимацией на трёхточечном шаблоне, то есть с использованием полуцелых узлов. Однако для уравнений других типов не получается построить хорошие схемы для слоистых сред с использованием полуцелых узлов. Оказалось, что для того, чтобы избежать описанных проблем, необходимо замкнуть всю схему в одном интервале и изгнать из расчётов полуцелые точки.

Бикомпактными называют схемы, шаблон которых состоит лишь из двух узлов сетки. Такой тип схем является мало исследованным, но при этом очень удобным в ряде практических задач. Такие схемы позволяют избавиться от некоторых нежелательных эффектов, как, например, эффект отражения уходящей волны от бесконечно удалённой жёсткой границы при расчётах схемами с использованием полуцелых узлов. Расчёты с её использованием показали, что эффект отражения исчезает.

В качестве примера, иллюстрирующего методологию построения схем бикомпактного типа, приводится вывод двух бикомпактных схем для уравнения теплопроводности. Рассматривается следующая задача:

C(x,t)— = —(k(x,t) —) + Дх,t), a<x<b;

dt ох дх (1.1)

u(x,0) = <p0(x), u(0,t) = <pa(t), u(b,t) = <pb(t\

Она решается методом прямых: пространственные производные заменяются разностными аппроксимациями, затем полученная система дифференциальных уравнений интегрируется по времени.

Чтобы получить аппроксимацию второй производной точности

0(h2), нужен 3-точечный шаблон. Однако наша цель построить

бикомпактную схему, в которой шаблон по пространству будет состоять из двух точек, то есть задачу мы будем решать в пределах одного

интервала сетки по пространству. Чтобы воспользоваться 2-точечным шаблоном, заменим (1.1) эквивалентной системой двух уравнений первого порядка:

ди 1 , л dw , л8и .

и(х, 0) = % (х), и (a, t) = гра (/), u{b,t) = <pb(t), w(x,0) = <pi(x).

Помимо температуры и, здесь появляется тепловой поток W, который мы для удобства записи берём со знаком минус. Граничные условия задаются только для температуры - поток в граничных точках не известен. Профиль потока может быть получен из профиля температуры, за исключением граничных точек, в которых его нужно определять отдельно.

В неподвижной слоистой среде коэффициент k{x,t) и

свободный член f(x,t) имеют неподвижные разрывы. Между разрывами считаем их многократно непрерывно дифференцируемыми. Благодаря наличию разрывов решение будет обобщённым. При этом физически правильным является решение, в котором u(x,t), w(x,t)

всюду непрерывны.

Введём по пространству специальную сетку так, чтобы все точки, в которых функции k(x,t) и f{x,t) имеют разрывы, являлись бы узлами сетки. Схему для узловых значений построим методом прямых, интегрируя (1.2) по пространству:

un~un-1 = 1 —dx

Jxn-1

w(x,t)

k(x,t)иЛ (13)

= {C(xj)^^-f{x,t))dx (L4)

Jxn-1 Ot

При этом под узловыми значениями функции надо подразумевать всегда односторонние пределы изнутри данного интервала. Но для теплопроводности величины u(x,t) и w(x,t) непрерывны всюду, в том числе на разрывах коэффициентов. Поэтому для них это просто узловые значения.

Задача получения бикомпактной пространственной аппроксимации заданной точности сводится к взятию интегралов в правых частях (1.3),

(1.4) с нужной точностью. Так, для получения схемы точности О {к2 ^, интегралы берутся по формуле трапеций, а для получения точности 0{}24), интегралы аппроксимируются по формуле Симпсона 4-го порядка.

В схеме второго порядка точности по пространству, алгебраическими преобразованиями удаётся исключить поток, в результате чего получается схема, которую формально можно назвать трёхточечной, однако она полностью эквивалентна двухточечной и сохраняет

аппроксимацию 0[)г2^ для слоистых сред. Получаемая схема

отличается от традиционной схемы для уравнения теплопроводности тем, что в левой части вместо производной по времени в центральном узле шаблона стоит линейная комбинация производных в трёх узлах. Это, незначительное на первый взгляд, отличие приводит к тому, что полученная схема обладает уникальным спектром

-4 к J¡

А, =~rrtg

21 лт

ti[ш.

\

1 < т < N—1. Очевидно, что собственные

значения (СЗ) этой схемы растут много быстрее, чем СЗ классической

. -4к . 2(лт^ схемы - Я =—— sm

h¿ \2N.

, 1<т < N — 1 и даже чем СЗ точного

1 пт л^ ^ решения А =--, I < т < со.

р т

Рисунок 1 иллюстрирует поведение спектров рассматриваемых схем. Видно, что для бикомпактной схемы второго порядка высокие гармоники затухают гораздо быстрее не только классической схемы, но и точного решения, что обеспечивает получение более гладкого решения.

Во второй главе описывается методика диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании дифференциальных уравнений. В общем виде, задачу,. которую помогает решать предлагаемая методика можно сформулировать так. Предположим, что существует некоторый алгоритм решения определённого класса задач. Предположим так же, что есть конкретная задача, точное решение которой имеет особенность в какой-либо точке. Возникает вопрос:

можно ли по результатам работы численного алгоритма понять, в какой точке решение имеет особенность и какого рода эта особенность?

Рис. 1. Спектры схем.

Такая задача была поставлена в 2003 году на семинаре академика Г.И. Марчука в Институте вычислительной математики РАН. Тогда был предложен следующий пример: задача Коши для обыкновенного дифференциального уравнения (ОДУ):

йи =и2, Ос*, и(0) = М0 >0. (1.5)

Л

Точное решение задачи выглядит следующим образом:

\--uJ

(1.6)

Оно имеет особенность в точке I, = 1/и0 и не существует при t>t,. Будем численно решать задачу (1.5), например, по явной схеме Эйлера порядка точности 0(т) с постоянным шагом г

г/0=и(0); й = и + ти2, и = 0,1,...; =пт, 10

где й - значение в следующий момент времени.

Численное решение положительно, монотонно возрастает и существует при сколь угодно больших . По его виду невозможно сделать вывод о наличии полюса у точного решения. Кажется, что точное решение быстро возрастает и существует при любых ^ > 0. Такое же качественное поведение дают явные схемы Рунге-Кутта более высоких порядков точности.

В данной работе приводится методика диагностики решения на наличие особенностей. Она основана на приеме сгущения сеток и позволяет выявлять не только сингулярности решения, но и более тонкие особенности: например, ограниченность числа непрерывных производных.

Отметим здесь, что единственным исследованием, посвященным этой тематике, которое удалось найти, является работа японцев Чиаки Хирота и Казуфуми Озава [20]. Методика диагностики особенностей, предложенная в этой работе предполагает 1) автономизацию исходной системы ОДУ 2) дифференцирование автономизированной системы ОДУ по длине дуги и 3) анализ поведения отдельных компонент решения полученной таким образом системы при расчётах для серии конечных длин дуги.

Эта методика позволяет диагностировать только степенные особенности и предполагает аналитическую модификацию исходной задачи.

Методика предлагаемая в данной работе основана на одностадийной схеме Розенброка с комплексным коэффициентом [21] и методе апостериорной оценки точности, предложенной Ричардсоном в 1927 году.

Если проинтегрировать задачу (1.5) численно популярными явными схемами Рунге-Кутта различных порядков точности, чисто неявной схемой Розенброка и схемой Розенброка с комплексным управляющим коэффициентом, то результаты расчетов будут кардинально отличаться друг от друга на качественном уровне. Рисунок 2 иллюстрирует эти различия. Видно, что счет по схемам Рунге-Кутта (ЕЮКЛ, ЕЖ2, ЕКК4) разваливается сразу за моментом времени, в котором точное решение имеет особенность. Причём момент, в который происходит переполнение численного решения, не совпадает с моментом разрушения точного решения и невозможно сделать вывод даже о местоположении особенности. Решение по чисто неявной схеме

Розенброка (ROSI), совпадающей с обратной схемой Эйлера, вблизи момента разрушения точного решения, пытаясь повторить гиперболу, уходит в область отрицательных значений, что не физично. И только решение по комплексной схеме Розенброка (CROS) ведёт себя

уникальным образом — оно стабилизируется на некотором значении и * *

сразу за моментом t . Причём высота этой полочки (и ) зависит от числа узлов сетки, на которой ведётся расчёт - чем подробнее сетка, тем выше полочка. Рассмотрим задачу (1.5) в более общем виде

^ = ßu+KF(u). (1.7)

Её точное решение выглядит следующим образом - и ~ (í, — í) ß.

Применительно к (1.7) семейство одностадийных схем Розенброка выглядит следующим образом:

ßuM/ß

w - и = г Re А; = г Re-—,-(1-8)

\-ra{ß + \)uVP

При использовании схемы CROS с а = (l + i)/2 (1.8) принимает вид

nvß 1-т0.5(/?+1 )uVß и~и — rßux+Vß---г. (1.9)

Из вида (1.9) следует несколько легко доказуемых утверждений.

Утверждение 1. Существует значение И, = + , при

котором численное решение схемы CROS не меняется при переходе на следующий временной слой ü: и = и,.

Утверждение 2 (свойство притяжения). При и >ut приращение функции и —и < 0 и, наоборот, при и <и, приращение функции й — и > 0. Т.е. при любом значении и на текущем временном слое,

следующий шаг схема CROS делает по направлению к положению равновесия и, = \_2jr (/? +1)]^.

t

Рис. 2. Поведение численного решения для различных схем. ERK1, ERK2, ERK4 - схемы Рунге-Кутта соответствующих порядков, ROSI -обратный Эйлер, CROS - комплексная схема Розенброка.

Также удаётся описать условия устойчивости этого положения равновесия и сформулировать следующее утверждение:

Утверждение 3. При особенности точного решения ОДУ типа полюса ß > 0 численное решение схемы CROS стремится к пределу и„. При

особенности типа корня — 1 < ß < 0 численное решение схемы CROS

стабилизируется в полосе вокруг положения равновесия и,.

Для логарифмической особенности, когда точное решение ведет себя

как t} численное решение по схеме CROS также

стабилизируется и аналогично случаю степенной особенности удаётся доказать следующие утверждения.

Утверждение 4. Существует положение равновесия Ut = In г—In 2,

при котором численное решение схемы CROS не меняется при переходе на следующий временной слой. Утверждение 5. При U >и, приращение функции Û — U<0 и,

наоборот, при и < н„ приращение функции Û — U > 0.

Утверждение 6. В случае логарифмической особенности положение

равновесия И, = In г — In 2 схемы CROS асимптотически устойчиво.

Таким образом, было установлено, что для рассмотренных выше типов особенностей численное решение стабилизируется на некотором

значении и,.

Дельнейшие исследования показали, что учитывая тот факт, что

значение и, зависит от величины шага сетки, на которой ведётся расчёт

и от характеристик точного решения, можно построить алгоритм, основанный на методе сгущения сеток Ричардсона, позволяющий диагностировать тип особенностей. Хорошо известно, что проведя расчёты на трёх вложенных сетках, сгущая их так, чтобы часть узлов более подробной сетки являлась бы узлами менее подробной, можно посчитать эффективный порядок точности численного решения. Если точное решение задачи обладает гладкостью, достаточной для реализации численным методом своего теоретического порядка точности, то эффективный порядок точности должен стремиться к теоретическому при увеличении числа узлов сетки. Оказалось, что можно доказать следующие два утверждения:

Утверждение 7. При наличии сингулярности точного решения типа u(t) ~(t*—t) Р в узлах t>t, эффективный порядок точности схемы CROS peJJ -> -ß при г ~ N'1 0.

Утверждение 8. При наличии сингулярности точного решения типа в узлах t>t, погрешность схемы CROS

A(w) (t) = + a peff -» 0 при г ~ N~l 0.

Основываясь на утверждениях 7 и 8 можно создавать программы, проводящие интегрирование ОДУ на сгущающихся сетках с автоматическим контролем точности и диагностикой особенностей. В самом простом варианте такая программа должна провести расчёт на трёх вложенных сетках и вычислить эффективный порядок в каждой точке первой сетки. Если начиная с какой-то точки эффективный порядок точности перестаёт быть равным теоретическому, то с точностью до шага исходной сетки можно сказать, что вблизи этой точки существует особенность точного решения. Более детальный анализ поведения эффективного порядка точности за обнаруженным моментом сингулярности позволит определить тип особенности.

Используя рекуррентное уточнение решения можно диагностировать более тонкие особенности решения, а именно, ограниченность числа непрерывных производных. Известно, что ошибку, вычисленную по методу Ричардсона по решениям на двух вложенных сетках можно учесть в качестве поправки для решения на исходной сетки, повысив тем самым порядок точности решения. Однако то, на сколько порядков удастся повысить точность, зависит от свойств точного решения, а именно от его дифференцируемое™. В работе приводится пример, иллюстрирующий одновременную диагностику как разрыва первой производной, так и следующей за ней степенной особенности.

Третья глава посвящена расчётам реальной инженерной задачи при помощи представленных численных методов. В качестве такой демонстрационной задачи была взята система уравнений диффузионно-дрейфовой модели полупроводника. Особенности задачи, о которых также говорится в третьей главе, приводят к известным сложностям счёта, которые преодолеваются благодаря использованию бикомпактных схем, без введения упрощающих предположений.

Выводится бикомпактная схема для системы уравнений диффузионно-дрейфовой модели, состоящей из пяти дифференциальных уравнений первого порядка по пространству, два из которых так же являются дифференциальными уравнениями по времени. Система интегрируется по методу прямых.

Построение бикомпактной пространственной аппроксимации происходит следующим образом: вводится некоторая сетка по пространству и в каждом её интервале все уравнения системы интегрируются по X. Часть выражений, в которых стоят производные по х удаётся проинтегрировать точно, остальные же интегралы

аппроксимируются по формуле трапеций. В результате для каждого интервала сетки получается система уравнений, приведённая ниже:

• 0 = ^-1 -Ек +—+ A-,-nk-nk_, +Nk +Nk_,) ss0 /

0 = Л'-, -Ч + еИР +Рк-Л-1)-еОр (рк -РкА)

0 = -Л" + % + -им)

Полученная система уравнений интегрируется по времени схемой Розенброка с комплексным коэффициентом CROS.

Программа, реализующая алгоритм интегрирования, описанный выше, также может проводить расчёт на сгущающихся сетках с автоматическим контролем точности по каждой переменной и диагностикой особенностей точного решения.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты

1. Построен и исследован новый тип разностных схем применительно к уравнению теплопроводности. Построены схемы разных порядков точности. Исследована устойчивость схем. Исследована структура ошибки численного решения для разных видов сеток. Бикомпактная аппроксимация записана для двумерного уравнения теплопроводности для различных сеток.

2. Разработана оригинальная методика диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений, основанная на методе апостериорной оценки точности Ричардсона и применении одностадийной схемы Розенброка с комплексным коэффициентом.

3. Подробно описана методика написания программ интегрирования

ОДУ с контролем точности получаемого решения и автоматической диагностикой особенностей.

4. Проведены расчёты, подтверждающие возможность расширения методики для диагностики особенностей при решений систем ОДУ и уравнений в частных производных.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях из Перечня ВАК:

1. Калиткин H.H., Корякин П.В. Одномерные и двумерные бикомпактные схемы в слоистых средах // Математическое моделирование, 2009 г., т. 21, № 8, стр. 44-62.

2. Калиткин H.H., Корякин П.В. Бикомпактные схемы и слоистые среды // ДАН, 2007 г., т. 419, №6, с.1-5.

3. Е.А. Алыиина, H.H. Калиткин, П.В. Корякин Диагностика особенностей точного решения методом сгущения сеток // ДАН, 2005 г., т. 404, №3, с.1-5.

4. Е.А. Алыиина, H.H. Калиткин, П.В. Корякин Диагностика особенностей точного решения при расчетах с контролем точности // ЖВМ иМФ, 2005 г., т. 45, №10 с. 1837-1847.

Публикации в других научных изданиях:

5. Е. Älshina, N. Kalitkin, Р. Коту akin The singularity diagnostics by calculation on embedded grids.// Mathematical Modelling and Analysis, 2005, special issue "Proceedings of the 10ft International Conference MMA2005&CMAM2", p. 309-314

6. Корякин П.В., Алыпина E.A., Алыпин А.Б. Двумерная аппроксимация в неограниченных областях. // Сборник трудов X Всероссийской школы-семинара "Современные проблемы математического моделирования", 2004, стр. 120-126.

7. Алыпина Е.А., Корякин П.В. Численный метод для режимов с обострениями. // Тезисы докладов II всероссийской конференции памяти А.Ф. Сидорова «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», Абрау-Дюрсо, 2004, с. 10-11.

8. Алыиина Е.А., Калиткин Н.Н., Корякин П.В. Диагностика сингулярности при численном решении дифференциальных уравнений. // Сборник трудов XI Всероссийской школы-семинара "Современные проблемы математического моделирования", 2005, с. 38-44.

9. Е.А. Апъшина, Н.Н. Калиткин, П.В. Корякин Диагностика особенностей решения при расчетах схемой CROS. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005», секция физика, сборник тезисов, часть 1, стр. 107-109.

10. Алыиин А.Б., Алыиина Е.А., Калиткин Н.Н., Корякин П.В. Численное обнаружение особенностей решения задачи Коши. // Тезисы докладов III Всероссийской конференции "Актуальные проблемы прикладной математики и механики", посвященной памяти академика А.Ф.Сидорова, 2006 г., с. 8-9.

11. Е.А. Alshina, NN. Kalitkin, P. V. Koryakin The singularity diagnostics by calculation on embedded grids. 10th International Conference Mathematical Modelling and Analysis and 2nd International Conference Computational Methods in Applied Mathematics, Trakay, Lithuania, 2005, p.4.

12. A.B. Alshin, E.A. Alshina, N.N. Kalitkin, P. V. Koryakin Calculations with accuracy control and the diagnostics of singularities. ICTMA 12 Teaching of Mathematical Modelling and Applications, London, 2005, p. 63.

13. E.A. Alshina, N.N. Kalitkin, P. V. Koryakin The singularity diagnostics in numerical solving systems of ode.// Abstract of Short Communication, International Congress of Mathematicians, Madrid, August 22-30, 2006, p. 508.

Корякин Павел Владимирович

БИКОМПАКТНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ И ЧИСЛЕННАЯ ДИАГНОСТИКА ОСОБЕННОСТЕЙ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Заказ № _

Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 4,0 Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ) 103498, Москва, МИЭТ(ТУ)

Введение

1 Бикомпактные разностные схемы

1.1 Построение схем.

1.1.1 Метод прямых.

1.1.2 Пространственная аппроксимация.

1.1.3 Схема точности 0(h2).

1.1.4 Схема точности 0(/г4).

1.1.5 Интегрирование по времени.

1.2 Исследование устойчивости.

1.2.1 Схема точности 0{Ь?).

1.2.2 Схема точности ö(hA).

1.2.3 Иллюстрация спектров

1.2.4 Функция устойчивости.

1.3 Расчёты.

1.3.1 Пример расчёта по схеме точности 0(т2 + h2).

1.3.2 Пример расчёта по схеме точности О (г2 +

1.4 Двумерные задачи.

1.4.1 Треугольная сетка.

1.4.2 Произвольные сетки.

2 Диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании дифференциальных уравнений

2.1 Предыстория и постановка задачи.

2.2 Разностные схемы интегрирования ОДУ.

2.3 CROS для задач с особенностями точного решения

2.4 Результаты расчётов задач с сингулярностью.

2.5 Диагностика сингулярности при расчётах с контролем точности.

3 Интегрирование системы уравнений , диффузионнодрейфовой модели полупроводника

3.1 Полуроводники.

3.1.1 Процессы травления и легирования.

3.2 Фундаментальная система уравнений полупроводника и диффузионно-дрейфовое приближение.

3.3 Бикомпактная аппроксимация для диффузионно-дрейфовой модели.

3.4 Результаты расчётов.

3.4.1 Статическая вольт-амперная характеристика

3.4.2 Динамическая вольт-амперная характеристика

Компетентность вычислителя обратно пропорциональна мощности его ЭВМ.

Автор не известен.

Настоящая диссертационная работа посвящена двум актуальным проблемам численных методов. Первая рассматриваемая проблема -это численное интегрирование дифференциально-алгебраических систем уравнений в слоистых средах. Вторая - диагностика особенностей (определение их положения и типа) точных решений при численном интегрировании дифференциальных уравнений.

Целями данной работы было, во-первых, разработать надёжный численный алгоритм, позволяющий решать широкий круг задач в слоистых средах. Во-вторых, разработать методику, позволяющую при численном интегрировании дифференциальных уравнений контролировать точность получаемого решения, диагностировать наличие и определять положение и тип особенности точного решения. Протестировать разработанные алгоритмы на реальных инженерных задачах.

Практическая ценность работы. Предложенный в работе подход к разностной аппроксимации пространственных производных позволяет создавать схемы, сохраняющие свой теоретический порядок точности на любой неравномерной сетке. Схемы, записанные в соответствии с предложенным методом также сохраняют порядок точности и в слоистых средах при условии, что сетка задаётся так, что каждая точка, в которой свойства среды терпят разрыв, является узлом сетки. Также предложенный в работе алгоритм диагностики особенностей точных решений позволяет создавать программы для численного интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений, которые помимо получения решения контролируют точность (апостериорная оценка), определяют наличие, положение и тип особенностей точного решения, если таковые имеются.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались и обсуждались на нескольких российских и международных конференциях, среди которых:

1. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам "Лбмоносов-2005"(Москва, МГУ).

2. 10th International Conference Mathematical Modelling and Analysis и 2nd International Conference Computational Methods in Applied Mathematics (Тракай, 2005).

3. ICTMA 12 Teaching of Mathematical Modelling and Applications, London, 2005.

4. Международный конгресс математиков в Мадриде, 2006 год. Устный доклад.

5. Конференция памяти А.Ф. Сидорова, "Актуальные проблемы прикладной математики и механики Абрау-Дюрсо, 2006 год. Устный доклад.

6. Всероссийская школа-семинар "Современные проблемы математического моделирования Абрау-Дюрсо, 2005 год. Устный доклад.

По материалам диссертации сделан доклад на совместном семинаре Института математического моделирования РАН и кафедры математического моделирования Московского физико-технического института (март 2010). Также были сделаны доклады на семинаре кафедры математики физического факультета МГУ (октябрь 2009) и на семинаре Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ (апрель 2010).

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 14 работ, среди которых тезисы вышеуказанных конференций, а также следующие рецензируемые работы:

1. Н.Н. Калиткин, П. В. Корякин, Одномерные и двумерные бикомпактные схемы в слоистых средах // Математическое моделирование, 2009 г., т. 21, JY2 8, стр. 44-62.

2. Н.Н. Калиткин, П.В. Корякин, Бикомпактные схемы и слоистые среды // ДАН, 2007 г., т. 419, №6, с.1-5.

Е.А. Альшина, H.H. Калиткин, П.В. Корякин, Диагностика особенностей точного решения методом сгущения сеток // ДАН, 2005 г., т. 404, №3, с.1-5.

4. Е.А. Альшина, H.H. Калиткин, П.В. Корякин, Диагностика особенностей точного решения при расчётах с контролем точности // ЖВМиМФ, 2005 г., т. 45, №10 с. 1837-1847.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 92 страниц, рисунков 34, таблиц 8. Список литературы включает 60 наименований.

Заключение

Приведём основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы:

1. Построен и исследован новый тип разностных схем применительно к уравнению теплопроводности. Построены схемы разных порядков точности. Исследована устойчивость схем. Исследована структура ошибки численного решения для разных видов сеток. Бикомпактная аппроксимация записана для двумерного уравнения теплопроводности для различных сеток.

2. Разработана оригинальная методика диагностики особенностей точных решений при численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений, основанная на методе апостериорной оценки точности Ричардсона и применении одностадийной схемы Розенброка с комплексным коэффициентом.

3. Подробно описана методика написания программ интегрирования ОДУ с контролем точности получаемого решения и автоматической диагностикой особенностей.

4. Проведены расчеты, подтверждающие возможность расширения методики для диагностики особенностей при решений систем ОДУ и уравнений в частных производных.

1. Толстых А.И.: Компактные разностные схемы и их применение в задачах аэрогидродинамики. Наука, 1990.

2. Толстых А.И.: О построении схем заданного порядка с линейными комбинациями операторов. 40(8): 1206-1220, 2000.

3. Рогов Б.В., Михайловская М.Н.: О сходимости компактных разностных схем. Математическое моделирование, 20(1):99-116, 2008.

4. Рогов Б.В., Михайловская М.Н.: Бикомпактные схемы четвёртого порядка аппроксимации для гиперболических уравнений. Доклады академии наук, 430(4):470-474, 2010.

5. Shen M.Y., Zhang Z.B., Niu X.L: A new way for constructing high accuracy shock-capturing generalized compact difference schemes. Com-put. Methods and Applied Mechanics, 192(l):2703-2725, 2003.

6. Radwan Samir F.: Comparison of higher-order accurate schames for solving the two-dimensional unsteady burger's equation. Journal of Computational and Applied Mathematics, 174(1):383-397, 2005.

7. Толстых А.И.: Мультиоператорные схемы произвольного порядка, использующие нецентрированные компактные аппроксимации 366(3):319-322, 1999.

8. Паасонен В.И.: Компактные схемы для систем уравнений второго порядка с конвективными членами. Вычислительные технологии, 3(1):55—66, 1998.

9. Паасонен В.И.: Сходимость параллельного алгоритма для компактных схем в неоднородных областях Вычислительные технологии, 10(5):81-89, 2005.

10. Паасонен В.И.: Схема третьего порядка аппроксимации на неравномерной сетке для уравнений Навъе-Стокса. Вычислительные технологии, 5(5):78-85, 2000.

11. Паасонен В.И.: Разностные схемы высокого порядка точности для краевых задач в неоднородных областях. В Тр. Мелсдунар. конф. по вычисл. математике. Ч. II. Новосибирск, страницы 574-579, 2004.

12. Паасонен В.И.: Диссипативные асимметричные компактные схемы для уравнения колебаний. В Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика., страницы 24-29.

13. Абалакин И.В., Козубская Т.К.: Многопараметрическое семейство схем повышенной точности для линейного уравнения переноса. Математическое моделирование, 19(7):56-66, 2007.

14. Р.С. Chu, С. Fan: A three-point combined compact difference scheme. JCP, 140:370-399, 1998.

15. P.C. Chu, C. Fan: A three-point sixth-order nonuniform combined compact difference scheme. JCP, 140:663-674, 1999.

16. Савельев А.Д.: Составные компактные схемы высокого порядка для моделирования течений вязкого газа. Журнал вычислительной математики и математической физики, 47(8): 1387-1401, 2007.

17. J. Zhang, J.J. Zhao,: Truncation error and oscillation property of the combined compact difference scheme. Applied Mathematics and Computation, 161(1):241-251, 2005.

18. Л.Е. Довгилович, И.JI. Софронов: О применении компактных схем для решения волнового уравнения. ИПМ РАН, препринт.

19. Ильин В.П., Исаков А.А.: Компактные схемы четвертого порядка для решения волновых уравнений. В Всероссийская конференция по вычислительной математике КВМ-2009\ 2009.

20. Dexun Fu; Yanwen; Xinliang Li; Mingyu Liu: Compact difference approximation with consistent boundary condition. Progress in Natural Science, 13(10):730-735, 2003.

21. Пинчуков В.И.: Компактная схема шестого порядка для решения уравнений Эйлера. Ж. вычисл. матем. и матем. физ, 38(10):1717-1720, 1998.

22. Пинчуков В.И.: О неявных абсолютно устойчивых схемах Рунге-Кутты четвертого порядка. Вычислительные технологии, 7(1):96-105, 2002.

23. R. Li, Z. Chen, W. Wu : Generalized difference methods for differential equations. Numerical analysis of finite volume methods. Marcel Dekker Inc., 2000.

24. Roberts J.E., Thomas J.M.: Mixed and hybrid methods, volume 2. 1991.

25. Eymard R., Gallouet Т., Herbin R.: Finite volume methods, volume 7. 2000.

26. K. Bieniasz: A set of compact finite-difference approximations to first and second derivatives, related to the extended numerov method of chawla on nonuniform grids. Computing, 81(l):77-89, 2007.

27. Cockburn В., Shu C.W.: Nonlinearly stable compact schemes for shock calculations. SIAM Journal on Numerical Analysis, 31(3):607-627, 1994.

28. Zhang J.: An explicit fourth-order compact finite difference scheme for three-dimensional convection-diffusion equation Communications in Numerical Methods in Engineering, 14(3):209-218, 1998.

29. Gupta, M.M. and Kouatchou, J. and Zhang, J. and others: Comparison of second-and fourth-order discretizations for multigrid Poisson solvers Journal of Computational Physics, 132(2):226-232, 1997.

30. Ashcroft G., Zhang X.: Optimized prefactored compact schemes. Journal of Computational Physics, 190(2) :459-477, 2003.

31. Abarbanel S., Kumar A.: Compact high-order schemes for the Euler equations. Journal of Scientific Computing, 3(3):275—288, 1988.

32. Manohar, R.P. and Stephenson, J.W.: Single cell high order difference methods for the Helmholtz equation. Journal of Computational Physics, 51(3):444-453, 1983.

33. Петухов И.В.: В сборнике Численные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений и квадратурные формулы. АН СССР, 1964.

34. F. Richardson: The deferred approach to the limit. Phil.Trans., 226:299-349, 1927.

35. Калиткин H.H.: Численные методы. Наука, 1978.

36. Э. Хайрер, Г. Ваннер: Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи Мир, 1999.

37. Rosenbrock II.Н.: Some general implicit processes for the numerical solution of differential equations. Comput. J., 5(4):329-330, 1963.

38. Калиткин H.H., Кузьмина JI.В.: Интегрирование жёстких систем дифференциальных уравнений. Препр. ИПМ им. М.В. Келдыша, 1(80), 1991.

39. Днестровская Е.Ю., Калиткин Н.Н., Ритус И.В.: Решение уравнений в частных производных схемами с комплексными коэффициентами. Математическое моделирование, 3(9): 114-127, 1991.

40. Verfurth, R.: Robust a posteriori error estimates for stationary convection-diffusion equations. SIAM J. Numer. Anal., 43(4):1766-1782, 2005.

41. Verfurth, R.: A posteriori error estimators for convection-diffusion equations. Numer. Math., 80(4):641-663, 1998.

42. Serge Nicaise: A Posteriori Error Estimations of Some Cell Centered Finite Volume Methods for Diffusion-Convection-Reaction Problems. SIAM J. Numer. Anal., 44(3):949-978, 2006.

43. Medina, Julio; Picasso, Marco; Rappaz, Jacques: Error estimates and adaptive finite elements for nonlinear diffusion-convection problems Math. Models Methods Appl. Sci., 6(5):689-712, 1996.

44. Zienkiewicz, О.С. and Zhu, J.Z.: The super convergent patch recovery and a posteriori error estimates. Part 1: The recovery technique. Int. J. Num. Meth. Engng., 33:1331-1364, 1992.

45. Zienkiewicz, O.C. and Zhu, J.Z.: The superconvergent patch recovery and a posteriori error estimates. Part 2: Error estimates and adaptivity. Int. J. Num. Meth. Engng., 33:1365-1382, 1992.

46. Acosta, G., R. G. Duran, и J. D. Rossi: An adaptive time step procedure for a parabolic problem with blow-up. Computing, 68(4):343-373, 2002, ISSN 0010-485X.

47. Abia, L. M., J. C. Lopez-Marcos, и J. Martinez: The Euler method in the numerical integration of reaction-diffusion problems with blow-up. Appl. Numer. Math., 38(3):287-313, 2001, ISSN 0168-9274.

48. Abia, Luis M., J. C. Lopez-Marcos, и Julia- Martinez: Blow-up for semidiscretizations of reaction-diffusion equations. Appl. Numer. Math., 20(1-2):145-156, 1996, ISSN 0168-9274.

49. S. Nicaise, S. I. Repin: Functional a posteriori error estimates for the reaction-convection-diffusion problem Зап. научн. сем. ПОМИ, 348:127-146, 2007.

50. С. И. Репин: Оценки отклонения от точных решений некоторых краевых задач с условием несжимаемости Алгебра и анализ, 16(5):124-161, 2004.

51. Марчук Г.И., Шайдуров В.В.: Повышение точности решений разностных схем. Наука, 1979.

52. Кремлёв В.Я.: Автоматизация проектирования ВИС. В 6 кн. Кн. 5. Физико-топологическое моделирование структур элементов БИС. Выс-шая школа, 1990.

53. Бубеиников А.Н.: Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. Высшая школа, 1989.

54. Sharfetter D.L., Gummel Н.К.: Large-signal analysis of a silicon read diode oscillator. IEEE Transactions on electron devices, 16(l):64-77, 1969.

55. Shnitnikov A.S., Philatov N.I.: Microwave limiter diode performance analyzed by mathematical modeling. Solid-State Electronics, 34(1):91-97, 1991.

56. Gummel H.K.: A s elf-consistent iterative scheme for one-dimensional steady state transistor calculation. IEEE Transactions on electron devices, ED-11:455-465, 1964.

57. Шалимова К.В.: Физика полупроводников. Энергоатомиздат, 1985.

58. Bank R.E., Rose D.J., Fichtner W.: Numerical methods for semiconductor device simulation. IEEE Transactions on electron devices, ED-30(9):1031-1041, 1983.