Решение уравнения теплопроводности по алгоритму Томаса

Я пытаюсь решить дифференциальное уравнение теплопроводности, используя алгоритм Томаса.

Физическая проблема: У нас есть штекер, температура на левой стороне 0температура правой стороны 1,

Для алгоритма Томаса я написал функцию, которая принимает три QVector а также int значение суммы уравнений.

Это мой код:

#include <QCoreApplication>
#include <QVector>
#include <QDebug>
#include <iostream>
using std::cin;

void enterIn(QVector<float> &Array, int Amount_of_elements){
int transit;
for(int i=0;i<Amount_of_elements;i++){
cin>>transit;
Array.push_back(transit);
}
}

QVector<float> shuttle_method(const QVector<float> &below_main_diagonal,
QVector<float> &main_diagonal,
const QVector<float> &beyond_main_diagonal,
const QVector<float> &free_term,
const int N){
QVector <float> c;
QVector <float> d;

for(int i=0;i<N;i++){
main_diagonal[i]*=(-1);
}

QVector<float> x; //result

c.push_back(beyond_main_diagonal[0]/main_diagonal[0]);
d.push_back(-free_term[0]/main_diagonal[0]);

for(int i=1;i<=N-2;i++){
c.push_back(beyond_main_diagonal[i]/(main_diagonal[i]-below_main_diagonal[i]*c[i-1]));
d.push_back(  (below_main_diagonal[i]*d[i-1]  -  free_term[i])  /  (main_diagonal[i]-  below_main_diagonal[i]*c[i-1])  );
}

x.resize(N);
//qDebug()<<x.size()<<endl;

int n=N-1;
x[n]=(below_main_diagonal[n]*d[n-1]-free_term[n])/(main_diagonal[n]-below_main_diagonal[n]*c[n-1]);

for(int i=n-1;i>=0;i--){
x[i]=c[i]*x[i+1]+d[i];
// qDebug()<<x[i]<<endl;
}

return x;
}

int main()
{
QVector <float> alpha;  // below
QVector <float> beta;   // main diagonal * (-1)
QVector <float> gamma;  // beyond
QVector <float> b;      // free term

QVector<float> T;

int cells_x=40;         //amount of equations
alpha.resize(cells_x);
beta.resize(cells_x);
gamma.resize(cells_x);
b.resize(cells_x);
T.resize(cells_x);

float dt=0.2,h=0.1;

alpha[0]=0;
for(int i=1;i<cells_x;i++){
alpha[i]= -dt/(h*h);
}

for(int i=0;i<cells_x;i++){
beta[i] = (2*dt)/(h*h)+1;
}
for(int i=0;i<cells_x-1;i++){
gamma[i]= -dt/(h*h);
}
gamma[cells_x-1]=0;

qDebug()<<"alpha= "<<endl<<alpha.size()<<alpha<<endl<<"beta = "<<endl<<beta.size()<<beta<<endl<<"gamma= "<<gamma.size()<<gamma<<endl;for(int i=0;i<cells_x-1;i++){
T[i]=0;
}
T[cells_x-1]=1;
qDebug()<<endl<<endl<<T<<endl;

//qDebug()<< shuttle_method(alpha,beta,gamma,b,N);

QVector<float> Tn;
Tn.resize(cells_x);
Tn = shuttle_method(alpha,beta,gamma,T,cells_x);
Tn[0]=0;Tn[cells_x-1]=1;
for(int stepTime = 0; stepTime < 50; stepTime++){
Tn = shuttle_method(alpha,beta,gamma,Tn,cells_x);
Tn[0]=0;
Tn[cells_x-1]=1;
qDebug()<<Tn<<endl;
}
return 0;
}

Моя проблема:
когда я компилирую и запускаю его, я получаю это:

Tn  <20 items>  QVector<float>
0   float
0.000425464 float
0.000664658 float
0.000937085 float
0.00125637  float
0.00163846  float
0.00210249  float
0.00267163  float
0.00337436  float
0.00424581  float
0.00532955  float
0.00667976  float
0.00836396  float
0.0104664   float
0.0130921   float
0.0163724   float
0.0204714   float
0.0255939   float
0.0319961   float

Tn  <20 items>  QVector<float>
0   float
-0.000425464    float
0.000643385 float
-0.000926707    float
0.00120951  float
-0.00161561 float
0.00202056  float
-0.00263167 float
0.00324078  float
-0.00418065 float
0.00511726  float
-0.00657621 float
0.00802998  float
-0.0103034  float
0.0125688   float
-0.0161171  float
0.0196527   float
-0.0251945  float
0.0307164   float
1   float

Tn  <20 items>  QVector<float>
0   float
0.000425464 float
0.000664658 float
0.000937085 float
0.00125637  float
0.00163846  float
0.00210249  float
0.00267163  float
0.00337436  float
0.00424581  float
0.00532955  float
0.00667976  float
0.00836396  float
0.0104664   float
0.0130921   float
0.0163724   float
0.0204714   float
0.0255939   float
0.0319961   float

Tn  <20 items>  QVector<float>
0   float
-0.000425464    float
0.000643385 float
-0.000926707    float
0.00120951  float
-0.00161561 float
0.00202056  float
-0.00263167 float
0.00324078  float
-0.00418065 float
0.00511726  float
-0.00657621 float
0.00802998  float
-0.0103034  float
0.0125688   float
-0.0161171  float
0.0196527   float
-0.0251945  float
0.0307164   float
1   float

Снова и снова в цикле.
Я понятия не имею, почему я получаю это.

Может быть, моя ошибка в назначении Tn результат моего Thomas-метода-функции?
или в реализации метода Томаса? или в граничных условиях?

0

Решение

Я понял!

Граничные условия должны действовать на векторы

QVector<float> below_main_diagonal,
QVector<float>  main_diagonal,
QVector<float>  beyond_main_diagonal

так что T [0] должно быть 0, а T [N-1] должно быть 1. Мы можем сделать это следующим образом:

main_diagonal.first()=1;
main_diagonal.last()=1;
beyond_main_diagonal.first()=0;
below_main_diagonal.last()=0;

и благодаря этому T [0] всегда будет равно нулю, а T [N-1] будет равно 1;

И в статье, где я читал о методе Томаса, первым шагом было отрицание главной диагонали, я сделал это, но затем в конце функции я должен сделать обратное, так:

for(int i(0);i<N;++i){
main_diagonal[i]*=(-1);
}

и мы можем использовать эту функцию снова, это не совсем оптимально, но работает стабильно.

Тогда весь код будет выглядеть так:

#include <QCoreApplication>
#include <QVector>
#include <QDebug>
#include <iostream>QVector<float> Thomas_Algorithm( QVector<float> &below_main_diagonal ,
QVector<float> &main_diagonal  ,
QVector<float> &beyond_main_diagonal ,
QVector<float> &free_term,
const  int N){

QVector<float> x; //vector of result

// checking of input data
if(below_main_diagonal.size()!=main_diagonal.size()||
main_diagonal.size()!=beyond_main_diagonal.size()||
free_term.size()!=main_diagonal.size())
{ qDebug()<<"Error!\n""Error with accepting Arrays! Dimensities are different!"<<endl;
x.resize(0);
return x;
}
if(below_main_diagonal[0]!=0){
qDebug()<< "Error!\n""First element of below_main_diagonal must be equal to zero!"<<endl;
x.resize(0);
return x;
}
if(beyond_main_diagonal.last()!=0){
qDebug()<< "Error!\n""Last element of beyond_main_diagonal must be equal to zero!"<<endl;
x.resize(0);
return x;

}
// end of checking

QVector <float> c;
QVector <float> d;

for(int i=0;i<N;i++){
main_diagonal[i]*=(-1);
}

c.push_back(beyond_main_diagonal[0]/main_diagonal[0]);
d.push_back(-free_term[0]/main_diagonal[0]);

for(int i=1;i<=N-2;i++){
c.push_back(beyond_main_diagonal[i]/(main_diagonal[i]-below_main_diagonal[i]*c[i-1]));
d.push_back(  (below_main_diagonal[i]*d[i-1]  -  free_term[i])  /
(main_diagonal[i]-  below_main_diagonal[i]*c[i-1])  );
}

x.resize(N);

int n=N-1;
x[n]=(below_main_diagonal[n]*d[n-1]-free_term[n])/(main_diagonal[n]-below_main_diagonal[n]*c[n-1]);

for(int i=n-1;i>=0;i--){
x[i]=c[i]*x[i+1]+d[i];
}

for(int i(0);i<N;++i){
main_diagonal[i]*=(-1);
}

return x;
}

int main()
{
QVector <float> alpha;  // below
QVector <float> beta;   // main diagonal * (-1)
QVector <float> gamma;  // beyond
QVector <float> b;      // free termQVector<float> T;

int cells_x=30;         // amount of steps
alpha.resize(cells_x);
beta.resize(cells_x);
gamma.resize(cells_x);
T.resize(cells_x );

float dt=0.2,h=0.1;

alpha[0]=0;
for(int i=1;i<cells_x-1;i++){
alpha[i]= -dt/(h*h);
}
alpha[cells_x-1]=0;

beta[0]=1;
for(int i=1;i<cells_x-1;i++){
beta[i] = (2*dt)/(h*h)+1;
}
beta[cells_x-1]=1;
gamma[0]=0;
for(int i=1;i<cells_x-1;i++){
gamma[i]= -dt/(h*h);
}
gamma[cells_x-1]=0;

for(int i=0;i<cells_x-1;i++){
T[i]=0;
}
T[cells_x-1]=1;

QVector<float>Tn;
Tn.resize(cells_x);
Tn=  Thomas_Algorithm(alpha,beta,gamma,T,cells_x);
// boundary conditions!
beta.first()=1;
beta.last()=1;
gamma.first()=0;
alpha.last()=0;
// and then due to bc we always have T[0]=0 and T[n]=1

for(int stepTime=0;stepTime<100;stepTime++){
Tn = Thomas_Algorithm(alpha,beta,gamma,Tn,cells_x);

qDebug()<<"stepTime = "<<stepTime<<endl<<endl;
qDebug()<<Tn<<endl;

// boundary conditions!
beta.first()=1;
beta.last()=1;
gamma.first()=0;
alpha.last()=0;
// and then due to bc we always have T[0]=0 and T[n]=1
}

return 0;
}

и на последнем шаге мы собираемся получить абсолютно «физические» результаты:

Tn  <30 items>  QVector<float>
0   float
0.0344828   float
0.0689656   float
0.103448    float
0.137931    float
0.172414    float
0.206897    float
0.24138 float
0.275862    float
0.310345    float
0.344828    float
0.379311    float
0.413793    float
0.448276    float
0.482759    float
0.517242    float
0.551724    float
0.586207    float
0.62069 float
0.655173    float
0.689655    float
0.724138    float
0.758621    float
0.793104    float
0.827586    float
0.862069    float
0.896552    float
0.931035    float
0.965517    float
1   float
0

Другие решения

Других решений пока нет …

По вопросам рекламы [email protected]