نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

مقایسه عملکرد روش های بدون شبکه چندربعی و حجم محدود در حل معادله موج دو بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه قم، قم، ایران
2 دانشگاه سیستان و بلوچستان
چکیده
در این تحقیق عملکرد روش بدون شبکه پایه شعاعی چندربعی در مقایسه با روش حجم محدود سلول مرکزی برای حل معادله موج درجه دوم دوبعدی بررسی شده است. معادله موج رابطه بین مشتق دوم زمانی و مکانی را با سرعت موج مشخص می‌کند. روش حجم محدود و روش پایه شعاعی از جمله روش‌هایی هستند که بطور گسترده برای مدل‌سازی معادلات دیفرانسیل جزئی مانند معادله موج در هندسه‌های پیچیده استفاده می‌شوند. برای مقایسه کارایی هریک از این دو روش ابتدا روش حجم محدود بر اساس یک شبکه مثلثی سلول مرکزی تدوین شده است. روش برهم نهی پایه شعاعی نیز با استفاده از تابع چندربعی برای نقاط پراکنده توسعه داده شده است. در نهایت گسسته‌سازی زمانی از طریق روش صریح اویلر انجام شده است. مقایسه عملکرد و قابلیت‌های دو روش با انجام چند آزمون عددی برای هندسه‌ها و شرایط اولیه و مرزی مختلف، و با توجه به پراکندگی نقاط، متغیرشکل و زمان پردازش هریک از روش‌ها انجام شده است. برای مقایسه کمی بهتر دو روش، همچنین حل تحلیلی موج با به کارگیری روش جداسازی متغیرها برای یک هندسه ساده مستطیلی با شرایط اولیه و مرزی مشخص بدست آمده است. نتایج این تحقیق نشان از هزینه محاسباتی کمتر و در نتیجه کارایی بهتر روش پایه شعاعی چندربعی در مقایسه با روش حجم محدود سلول مرکزی دارد. با این حال روش RBF-MQ وابستگی شدیدی به متغیرشکل و توزیع نقاط برهم نهی انتخابی دارد. همچنین روش FVM-CC دقت نسبی بالاتری در مقایسه با RBF-MQ بدون توجه به متغیرشکل و نقاط برهم نهی انتخابی دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A comparison between the performance of RBF-MQ and cell-centered finite volume methods in solving 2d wave equation

نویسندگان English

Nasrin Tavakkoli 1
Majid Akbari 2
Reza Babaee 1
Ehsan Jabbari 1
1 University Of Qom, Qom, Iran
2 Sistan and Balouchestan University
چکیده English

Partial Differential Equations (PDEs) are widely used across physics, engineering, finance, biology, and other fields to model various phenomena. PDEs can be classified into elliptic, parabolic, and hyperbolic, depending on their properties such as diffusion, or wave-like behavior. Hyperbolic equations are suitable for simulating dynamic phenomena with wave-like behavior such as flow propagation. Examples include Euler equations, shallow water equations, and classical wave equation. Due to the complexity of the 2d hyperbolic equations, numerical methods like finite difference and finite volume are often used for their solution. Among these, the finite volume method such as the cell-centered approach, derived from the conservation laws, is fundamental for solving hyperbolic equations, offering flexibility in dealing with complex geometries. Meshless methods like the radial basis function (RBF) method have recently gained attention for their simplicity and low computational cost, dividing the domain into particles and representing equations using RBFs. However, meshless methods face solvability issues and heavily rely on the shape parameter and distribution of collocation points. This article aims to quantitatively compare the costs, accuracy, and efficiency of RBF-MQ and FVM-CC methods for solving 2d wave equations. The study includes analyzing the behavior and performance of meshless and mesh-based methods, estimating accuracy using norm L2 and L∞, sensitivity to the shape parameter and the distribution of data in complex geometry, and calculating CPU runtime for each method.

کلیدواژه‌ها English

wave equation
finite volume method
multiquadric
radial basis function
meshless methods