Кіріспе

Аналитикалық элементтік әдіс (АЭМ) – бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді шешуге қолданылатын сандық әдіс. Оны бастапқыда Миннесота университетінде О.Д.Л. Страк әзірлеген. Бұл әдіс шекаралық элементтік әдіспен (BEM) ұқсас, себебі модельделген жүйедегі көлемдер мен аудандарды дискреттеуді қажет етпейді; тек ішкі және сыртқы шекаралар дискреттеледі. AEM мен BEM арасындағы басты айырмашылық – шекаралық интегралдар аналитикалық жолмен есептеледі. Алғашында жер асты сулары ағынын модельдеу үшін жасалғанмен, AEM кейіннен жылу ағыны мен жылу өткізгіштігі, периодтық толқындар және күш әсерінен деформацияны зерттеу сияқты басқа да салаларда қолданылды.

Математикалық негіз

Аналитикалық элементтік әдістің негізгі қағидасы – сызықтық дифференциалдық теңдеулер үшін элементар шешімдерді біріктіру арқылы күрделірек шешімдер алу мүмкіндігі. Әртүрлі басқару теңдеулері үшін 2D және 3D аналитикалық шешімдер жиынтығы ("элементтер") қолжетімді. Бұл элементтер әдетте тәуелді айнымалының немесе геометриялық шекара бойындағы градиентінің үзілісіне сәйкес келеді (мысалы, нүкте, түзу, эллипс, шеңбер, сфера және т.б.). Бұл үзілістің нақты функционалдық түрі бар (әдетте 2D-де көпмүшелік) және Дирихле, Нейман немесе Робин (аралас) шекаралық шарттарды қанағаттандыру үшін оны өзгертуге болады. Әрбір аналитикалық шешім кеңістікте және/немесе уақытта шексіз. Әдетте, әрбір аналитикалық шешімде элементтің шекарасындағы белгіленген шекаралық шарттарды орындау үшін есептелетін бостандық дәрежелері (коэффициенттер) болады. Жалпы шешімді (яғни, элементтердің дұрыс коэффициенттерін) алу үшін теңдеулер жүйесі шешіледі, бұл жүйе барлық элементтер бойынша шекаралық шарттардың орындалуын қамтамасыз етеді (коллокация, ең кіші квадраттар әдісі немесе ұқсас тәсілдерді қолдану арқылы). Маңыздысы, жаһандық шешім шексіз домендегі тәуелді айнымалының кеңістіктегі үздіксіз сипаттамасын береді, ал басқару теңдеуі элемент шекарасынан басқа барлық жерде дәл орындалады, себебі үзіліс болғандықтан басқару теңдеуі онда қатаң түрде қолданылмайды. Бір шешімде көптеген элементтерді біріктіру мүмкіндігі аналитикалық шешімдерді кез келген күрделі шекаралық шарттарда қолдануға мүмкіндік береді. Яғни, күрделі геометриясы, түзу немесе қисық шекаралары, көптеген шекаралары, уақытқа байланысты шекаралық шарттары, бірнеше сулы қабаттары, бөлік-бөлік өзгеретін қасиеттері және үздіксіз өзгеретін қасиеттері бар модельдерді шешуге болады. Элементтер алыс өріс кеңеюлерін пайдалана отырып жүзеге асырылуы мүмкін, бұл мыңдаған элементтерді қамтитын модельдерді жоғары дәлдікпен тиімді шешуге мүмкіндік береді. Аналитикалық элементтік әдіс Лаплас, Пуассон, модификацияланған Гельмгольц, жылу және бигармониялық теңдеулер сияқты әртүрлі сызықтық дербес дифференциалдық теңдеулермен басқарылатын жер асты су ағыны мәселелеріне қолданылады. Көбінесе бұл теңдеулер күрделі айнымалыларды пайдалана отырып шешіледі, бұл күрделі айнымалылар теориясында қол жетімді математикалық әдістерді пайдалануға мүмкіндік береді. Күрделі мәселелерді шешудің пайдалы әдісі – конформды бейнелеуді қолдану, ол геометрия шекарасын, мысалы, эллипсті, шешімі белгілі бірлік шеңбер шекарасына бейнелейді. Аналитикалық элементтік әдісте шығын потенциалы және ағын функциясы немесе олардың жиынтығы – кешенді потенциал қолданылады. Бұл потенциал жер асты су жүйесінің физикалық қасиеттерін, гидравликалық бас немесе ағын шекараларын потенциалдың математикалық өрнегімен байланыстырады. Бұл математикалық өрнектің көмегімен потенциалды орналасу бойынша есептеуге және осылайша жер асты су ағыны мәселелерін шешуге болады. Элементтер гидравликалық бас немесе ағын шекарасы сияқты екі қасиеттің бірі үшін шекаралық шарттарды шешу арқылы жасалады, нәтижесінде көптеген шекаралық шарттарды шеше алатын аналитикалық шешімдер пайда болады.

Басқа әдістермен салыстыру

Жоғарыда айтылғандай, аналитикалық элементтер әдісі, шекті элементтер немесе шекті айырмалар әдістеріндегідей, модельдегі көлемді немесе аумақты дискреттеуге сүйенбейді. Осылайша, ол машинаның дәлдігі деңгейіндегі қателікпен күрделі мәселелерді модельдей алады. Бұл бір зерттеуде, кездейсоқ өткізгіштігі бар 100 000 шар тәрізді гетерогенділіктерді және 40 000 бөлшектің қозғалысын есепке алып, жоғары гетерогенді, изотропты сулы қабатты модельдеу арқылы көрсетілді. Аналитикалық элементтер әдісі көптеген күрделі мәселелер үшін жер асты суының ағынын жылдам және дәл есептеуге мүмкіндік береді, сондықтан оны ірі жобаларда тексеру немесе алдын ала бағалау құралы ретінде тиімді пайдалануға болады. Жер асты суларын модельдеудің басқа көп қолданылатын әдістерінен, мысалы, шекті элементтер немесе шекті айырмалар әдістерінен айырмашылығы, AEM модельдік доменді жасушаларға бөледі. Бұл модельдің модельдік домендегі кез келген нүктеде қолданылуын қамтамасыз етеді. Алайда, бұл доменді, мысалы, әртүрлі гидравликалық өткізгіштігі бар аймақтарға жасушалық тормен модельдегендегідей оңай бөлуге болмайтындығын да білдіреді; алайда, бұл мәселені шешудің бір жолы AEM моделіне субдомендерді қосу болып табылады. Сондай-ақ, AEM моделінде сулы қабатта тік бағытта өзгеретін қасиеттерді немесе құрылымдарды іске асыру үшін де шешімдер бар.