Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Иванов Д. Ю. Полуаналитическая аппроксимация нормальной производной теплового потенциала простого слоя вблизи границы двумерной области // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 476-487. DOI: 10.18500/1816-9791-2024-24-4-476-487, EDN: GMVNDF

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.11.2024
Полный текст:
(downloads: 55)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
519.644.5
EDN: 
GMVNDF

Полуаналитическая аппроксимация нормальной производной теплового потенциала простого слоя вблизи границы двумерной области

Авторы: 
Иванов Дмитрий Юрьевич, Российский университет транспорта
Аннотация: 
Предлагается полуаналитическая аппроксимация нормальной производной теплового потенциала простого слоя  вблизи границы двумерной области с гладкостью $C^{5}$. Вычисление интегралов, возникающих после кусочно-квадратичной интерполяции функции плотности по переменной длины дуги $s$, осуществляется c помощью аналитического интегрирования по переменной $\rho =\sqrt{r^{2} -d^{2} } $, где $r$ и $d$ — расстояния от точки наблюдения до точки интегрирования и до границы области соответственно. Для этого подынтегральная функция представляется в виде суммы двух произведений, каждое из которых состоит из двух множителей, а именно: гладкой в приграничной области функции, содержащей якобиан перехода от переменной интегрирования $s$ к переменной $\rho $, и весовой функции, содержащей особенность при $r=0$ и равномерно абсолютно интегрируемой в приграничной области. Гладкие функции аппроксимируются с помощью кусочно-квадратичной интерполяции по переменной $\rho$, и тогда аналитическое интегрирование становится возможно. Аналитическое интегрирование по $\rho $ осуществляется на фиксированном по ширине участке границы, содержащем проекцию точки наблюдения, а на остальной части границы интегралы по $s$ вычисляются с помощью формул Гаусса. Интегрирование по параметру $C_{0}$-полугруппы, образованной операторами сдвига по времени, также осуществляется аналитически. Для этого $C_{0}$-полугруппа аппроксимируется с помощью кусочно-квадратичной интерполяции по ее параметру. Доказано, что предлагаемые аппроксимации обладают устойчивой кубической сходимостью в банаховом пространстве непрерывных функций с равномерной нормой, причем такая сходимость равномерна в замкнутой приграничной области. Приведены результаты вычислительных экспериментов по нахождению нормальной производной  решений второй начально-краевой задачи теплопроводности в единичном круге с нулевым начальным условием, подтверждающие равномерную кубическую сходимость предлагаемых аппроксимаций нормальной производной  теплового потенциала простого слоя.
Список источников: 
  1. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. Москва : Мир, 1987. 524 с.
  2. Смирнов В. И. Курс высшей математики : в 5 т. Т. 4, ч. 2. Москва : Наука, 1981. 550 с.
  3. Zhang Y.-M., Gu Y., Chen J.-T. Stress analysis for multilayered coating systems using semianalytical BEM with geometric non-linearities // Computational Mechanics. 2011. Vol. 47, iss. 5. P. 493–504. https://doi.org/10.1007/s00466-010-0559-0
  4. Gu Y., Chen W., Zhang B., Qu W. Two general algorithms for nearly singular integrals in two dimensional anisotropic boundary element method // Computational Mechanics. 2014. Vol. 53, iss. 6. P. 1223–1234. https://doi.org/10.1007/s00466-013-0965-1
  5. Niu Z., Cheng Ch., Zhou H., Hu Z. Analytic formulations for calculating nearly singular integrals in two-dimensional BEM // Engineering Analysis with Boundary Elements. 2007. Vol. 31, iss. 12. P. 949–964. https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2007.05.001
  6. Niu Z., Hu Z., Cheng Ch., Zhou H. A novel semi-analytical algorithm of nearly singular integrals on higher order elements in two dimensional BEM // Engineering Analysis with Boundary Elements. 2015. Vol. 61. P. 42–51. https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2015.06.007
  7. Иванов Д. Ю. Уточнение коллокационного метода граничных элементов вблизи границы двумерной области с помощью полуаналитической аппроксимации теплового потенциала двойного слоя // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2020. № 65. С. 30–52. https://doi.org/10.17223/19988621/65/3
  8. Данфорд Н., Шварц Дж. Т. Линейные операторы : в 3 т. Т. 1: Общая теория. Москва : Изд-во иностранной литературы, 1962. 896 с.
  9. Иванов Д. Ю. Уточнение коллокационного метода граничных элементов вблизи границы области в случае двумерных задач нестационарной теплопроводности с граничными условиями второго и третьего рода // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2019. № 57. С. 5–25. https://doi.org/10.17223/19988621/57/1
  10. Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений : в 2 т. Т. 1. Москва : Физматгиз, 1962. 464 с.
Поступила в редакцию: 
12.04.2023
Принята к публикации: 
03.05.2023
Опубликована: 
29.11.2024