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第六章 偏微分方程式之求解
在化工的领域中,有不少程序之动态是由以偏微分方程式(Partial differential equation;PDE)所描述的,例如热与质量在空间中的传递等。这些用以描述实际问题的PDE,除非具有某些特定的方程式型态及条件,否则甚难以手算的方式找出解析解。而在数值求解方面,最常被采用的方法为有限差分法(finite difference)何有限元素法(finite element)。然对于某些不熟悉数值分析及程序编写的化工人而言,欲充分了解以偏微分方程式所描述之系统动态是相当不容易的,更遑论进一步的设计与分析了。
值得庆幸的是,MATLAB的环境中提供了一个求解PDE问题的工具箱,让使用者得以利用简单的指令或图形接口工具输入欲解的PDE,并求解。使得PDE之数值解在弹指之间完成,使用者不在为数值法所苦恼,轻松掌握偏微分方程式系统的动态,并可进一步进行后续之设计工作。
本章将以循渐进的方式,介绍PDE工具箱及其用法,并以数个典型的化工范例进行 示范,期能使初学者很快熟悉PDE工具箱,并使用它来设计与分析以偏微方方程式所描述的程序系统。
6.1 偏微分方程式之分类
偏微分方程式可根据其阶数(order),线性或非线性型态,以及边界条件进行分类。
6.1.1依阶数的分类
偏微分方程式是以偏微分项中之最高次偏微分来定义其阶数,例如:
一阶偏微分方程式:
二阶偏微分方程式:
三阶偏微分方程式:
6.1.2 依非线性程度分类
偏微分方程式亦可以其线性或非线性情况,区分为线性(linear),似线性(quasilinear),以及非线性三类。例如,以下之二阶偏微分方程式(Constantinides and Mostoufi,1999)
可依系数之情况,进行如下表之归类
类别 情况
线性 系数为定值,或仅为(x,y)函数
似线性 系数为依变数(dependent variable)u或其比方程式中之偏微分低阶之偏微分项的函数,如
非线性 系数中,具有与原方程式之偏微分同阶数之变数,如
另外,对于线性二阶偏微分方程式,可进一步将其分类为椭圆型(elliptic),拋物线型(parabolic),以及双曲线型(hyperbolic)。具体上来说,此类偏微分方程式二阶线性之一般式为
系数是定值或为u的函数。若g=0,则上式为其次是偏微分方程式。式子( )之分类及代表性例子,请见下表
方程式类别 判断式 代表性范例
椭圆型 Laplace方程式,
拋物线型 Poisson方程式,
热传导或扩散方程式
双曲线型 波动方程式
注:二维系统之运操作数之定义为
6.1.3 起始条件和边界条件的分类
为了能获得偏微分方程式之解答,其起始条件和边界条件可依其特性区分为三类。现以一维之动态热传递方程式(拋物线型偏微分方程式)
为例,进一步说明如何区分这些边界条件及起始条件(Constantinides and Mostoufi ,1999)。
(i) 第一类:Dirichlet Condiction
若依变量(T)本身,在某个独立变量值时,被指定,则此条件称为Dirichlet Condiction,亦称为essential边界条件。下图为一典型的Dirichlet条件示意图
图6.1 平板Dirichlet Condiction示意图
由图中很清楚的显示,该平板之边界条件为
此边界条件依定义,即为Dirichlet Condiction。同时,若再起始时,各处之温度分布可以位置之函数表示,即
此亦属Dirichlet型之边界条件。
(ii) 第二类:
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