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物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|Multi-dimensional Finite Element Schemes with Linear Elements

Finite element methods are very easy to define for triangular and tetrahedral meshes using piecewise linear trial solutions. Then we introduce basis functions $\phi_j$ that have the value unity at the $j$ th node and zero at all other nodes, as illustrated in Figure 3.8 for a triangular mesh. We can visualize the basis function of each node as a tent surrounding the node. Consider now Laplace’s equation in a triangulated domain $\mathcal{D}$ with Dirichlet boundary conditions on the boundary $\mathcal{B}$,
$$
u_{x x}+u_{y y}=0 \text { in } \mathcal{D}
$$
$u$ specified on $\mathcal{B}$.

The corresponding weak form is obtained by multiplying (3.45) by a test function $\psi(x, y)$ and integrating by parts to obtain
$$
\int_{\mathcal{B}} \psi \nabla u_h \cdot \mathbf{n} d l-\int_{\mathcal{D}} \nabla u_h \cdot \nabla \psi d \mathcal{S}=0
$$
where n is the unit normal to the boundary. The trial solution is
$$
u_h=\sum_{j=1}^n u_j \phi_j(x, y)
$$
Following the Galerkin method, we require $u_h$ to satisfy the weak form (3.46) for each test function $\psi=\phi_j$. With Dirichlet boundary conditions, we only need to solve for $u_j$ at the interior nodes, for which $\phi_j=0$ on $\mathcal{B}$ with the consequence that the boundary integral vanishes. Referring to Figure $3.8$, consider the equation for the node labeled zero. $\nabla \phi_0$ is nonzero only in the neighboring triangles, which are shaded in the figure. Moreover, both $\nabla u_h$ and $\nabla \phi_0$ are constant in each of these triangles. Thus, the residual equation for node 0 reduces to
$$
r_0=\sum_{\text {neighbors }} \mathcal{S}k \nabla u{h k} \cdot \nabla \phi_{0 k}=0,
$$
where $\mathcal{S}k$ is the area of the $k^{t h}$ triangle, and $\nabla u{h_k}$ and $\nabla \phi_{0_k}$ are the gradients of $u_h$ and $\phi_0$ in that triangle.

The gradient of any piecewise linear function $u_h$ on a triangular mesh can be evaluated very easily using Gauss’ theorem
$$
\int_{\mathcal{D}} \frac{\partial u_h}{\partial x} d \mathcal{S}=\oint_{\mathcal{B}} u_h d y
$$

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|Further Analysis of the Discrete Laplacian

If we consider the stencil illustrated in Figure 3.8, evaluation of formulas (3.47), (3.48), and (3.49) reduces the equation for node 0 to the form
$$
r_0=\sum s_{k 0}\left(u_k-u_0\right),
$$
where $s_{k 0}$ are the entries of the stiffness matrix between node $k$ and 0 . If we consider edge 20 , say, the total contribution of $u_2$, applying the formulas (3.47) and (3.48) to the triangles 012 and 023 with areas $\mathcal{S}1$ and $\mathcal{S}_2$ respectively, is $s{20}=\frac{1}{4 \mathcal{S}1}\left(\left(y_0-y_1\right)\left(y_2-y_1\right)+\left(x_0-x_1\right)\left(x_2-x_1\right)\right)$ Let $l{k 0}$ be the length of the edge $k 0$. Then, we find that
$$
\begin{aligned}
s_{20} &=\frac{l_{01} l_{21} \cos \theta_{012}}{2 l_{01} l_{21} \sin \theta_{012}}+\frac{l_{03} l_{23} \cos \theta_{032}}{2 l_{03} l_{23} \sin \theta_{032}} \
&=\frac{1}{2}\left(\cot \theta_{012}+\cot \theta_{032}\right),
\end{aligned}
$$
where $\theta_{012}$ and $\theta_{032}$ are the angles between edges $l_{01}$ and $l_{21}$ and $l_{03}$ and $l_{23}$, as illustrated in Figure 3.9.
In the case of the Poisson equation
$$
u_{x x}+u_{y y}=f,
$$

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|AES3530

物理代写|空气动力学代写空气动力学代考|具有线性元素的多维有限元格式


使用分段线性试解,有限元方法非常容易定义三角形和四面体网格。然后我们引入基函数$\phi_j$,它的值在$j$节点处为单位,在所有其他节点处为零,如图3.8所示。我们可以将每个节点的基函数可视化为围绕节点的帐篷。现在考虑拉普拉斯方程在三角域$\mathcal{D}$上的狄利克雷边界条件在边界$\mathcal{B}$上,
$$
u_{x x}+u_{y y}=0 \text { in } \mathcal{D}
$$
$u$在$\mathcal{B}$上指定

对应的弱形式是通过(3.45)乘以一个测试函数$\psi(x, y)$,然后分部积分得到
$$
\int_{\mathcal{B}} \psi \nabla u_h \cdot \mathbf{n} d l-\int_{\mathcal{D}} \nabla u_h \cdot \nabla \psi d \mathcal{S}=0
$$
,其中n是边界的法线单位。试验解是
$$
u_h=\sum_{j=1}^n u_j \phi_j(x, y)
$$
根据Galerkin方法,我们需要$u_h$来满足每个测试函数$\psi=\phi_j$的弱形式(3.46)。在狄利克雷边界条件下,我们只需要在内部节点上求解$u_j$,在$\mathcal{B}$上求解$\phi_j=0$,其结果是边界积分消失。参考图$3.8$,考虑标记为0的节点的方程。$\nabla \phi_0$仅在相邻的三角形中是非零的,这些三角形在图中用阴影表示。此外,$\nabla u_h$和$\nabla \phi_0$在每个三角形中都是常数。因此,节点0的残差方程简化为
$$
r_0=\sum_{\text {neighbors }} \mathcal{S}k \nabla u{h k} \cdot \nabla \phi_{0 k}=0,
$$
,其中$\mathcal{S}k$是$k^{t h}$三角形的面积,$\nabla u{h_k}$和$\nabla \phi_{0_k}$是该三角形中$u_h$和$\phi_0$的梯度 任何分段线性函数$u_h$在三角形网格上的梯度可以很容易地用高斯定理求出
$$
\int_{\mathcal{D}} \frac{\partial u_h}{\partial x} d \mathcal{S}=\oint_{\mathcal{B}} u_h d y
$$

物理代写|空气动力学代写空气动力学代考|离散拉普拉斯算子的进一步分析


如果我们考虑图3.8所示的模板,计算公式(3.47)、(3.48)和(3.49)将节点0的方程简化为
$$
r_0=\sum s_{k 0}\left(u_k-u_0\right),
$$
,其中$s_{k 0}$是节点$k$和0之间的刚度矩阵项。如果我们考虑边20,假设$u_2$的总贡献,分别对面积为$\mathcal{S}1$和$\mathcal{S}2$的三角形012和023应用公式(3.47)和(3.48),为$s{20}=\frac{1}{4 \mathcal{S}1}\left(\left(y_0-y_1\right)\left(y_2-y_1\right)+\left(x_0-x_1\right)\left(x_2-x_1\right)\right)$设$l{k 0}$为边$k 0$的长度。然后,我们发现
$$
\begin{aligned}
s{20} &=\frac{l_{01} l_{21} \cos \theta_{012}}{2 l_{01} l_{21} \sin \theta_{012}}+\frac{l_{03} l_{23} \cos \theta_{032}}{2 l_{03} l_{23} \sin \theta_{032}} \
&=\frac{1}{2}\left(\cot \theta_{012}+\cot \theta_{032}\right),
\end{aligned}
$$
,其中$\theta_{012}$和$\theta_{032}$是边$l_{01}$和$l_{21}$以及$l_{03}$和$l_{23}$之间的角度,如图3.9所示。在泊松方程
$$
u_{x x}+u_{y y}=f,
$$ 的情况下

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考

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