偏微分方程的数值解(六): 偏微分方程的 pdetool 解法
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偏微分方程的数值解(六): 偏微分方程的 pdetool 解法
目录
1 图形界面解法简介
2 图形界面解法的使用步骤
1 图形界面解法简介
对于一般的区域,任意边界条件的偏微分方程,我们可以利用 MATLAB 中 pdetool 提供的偏微分方程用户图形界面解法。 图形界面解法步骤大致上为:
(1)定义 PDE 问题,包括二维空间范围,边界条件以及 PDE 系数等。
(2)产生离散化之点,并将原 PDE 方程式离散化。
(3)利用有限元素法(finite element method;FEM)求解并显示答案。
在说明此解法工具之前,先介绍此 PDE 图形界面的菜单下方的功能图标(icon)按 钮。
2 图形界面解法的使用步骤
要利用 pdetool 接口求解之前,需先定义 PDE 问题,其包含三大部份:
(1)利用绘图(draw)模式,定义 需要求解的问题的空间范围(domain)Ω 。
(2)利用 boundary 模式,指定边界条件。
(3)利用 PDE 模式,指定 PDE 系数,即输入 c,a,f 和 d 等 PDE 模式中的系数。
在定义 PDE 问题之后,可依以下两个步骤求解
(1)在 mesh 模式下,产生 mesh 点,以便将原问题离散化。
(2)在 solve 模式下,求解。
(3)最后,在 Plot 模式下,显示答案。
注意:
1. MATLAB 会以图形的方式展示结果,使用者亦可点选 plot 下之“parameters”功 能,选择适当的方式显示图形及数据。例如用 3D 方式显示求解结果。参数设置见图 10, 显示结果见图 11。
2. 另外,若使用者欲将结果输出到命令窗口中,以供后续处理,可利用 solve 功能 项下之“export solution”指定变量名称来完成。
3. 如果求抛物型或双曲型方程的数值解,还需要通过“solve”菜单下的 “parameters…”选项设置初值条件。
4. 在上面定义边界条件和初始条件时,可以使用一些内置变量。
(1)在边界条件输入框中,可以使用如下变量: 二维坐标 x 和 y,边界线段长度参数(s s 是以箭头的方向沿边界线段从 0 增加到 1), 外法向矢量的分量 nx 和 ny(如果需要边界的切线方向,可以通过 tx=-ny 和 ty=nx 表示), 解 u。
(2)在初值条件的输入框中,也可以输入用户定义的 MATLAB 可接受变量(p, e,t,x,y)的函数。
例 11 使用 PDETOOL 重新求例 8 的数值解。
例8 求解正方形区域{(x, y) | −1 ≤ x, y ≤ 1}上的热传导方程
边界条件为Dirichlet条件u = 0。
解 这里是抛物型方程,其中c = 1, a = 0, f = 0, d = 1。
1)定义 PDE 问题,包括二维空间范围,边界条件以及 PDE 系数等。我们这里就 省略了。
2)区域剖分以后,通过“Mesh”菜单下的“Export Mesh…”选项可以把 p,e,t 三个参数分别输出到工作间。
3)然后编写函数 fun1(x,y)如下:
function f=fun1(x,y);
f=zeros(length(x),1);
ix=find(x.^2+y.^2<0.16);
f(ix)=1;
其中的变量 x,y 是 MATLAB 可接受的内置变量。 设置“solve”菜单下的“parameters…”选项如下:
时间框中输入:linspace(0,0.1,20);
初值框中输入:fun1。
4)设置“plot"菜单下的“parameters…”选项如下:选择 Height(3-D plot) 和 Animation 两项。
5)用鼠标点一下工具栏上的“=”按钮,就可以画出数值解的 3-D 图形。
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