Аналитикалық элементтер әдісі: Қазіргі қолданылуы мен мүмкіндіктері
Analytic element method
Аналитикалық элементтер әдісі (AEM) – бөлшек дифференциал теңдеулерді шешуге арналған сандық әдіс. Гидрогеология, жылу жүргіштігі, деформация сияқты салаларда қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The analytic element method (AEM) is a numerical method used for the solution of partial differential equations. It was initially developed by O. D. L. Strack at the University of Minnesota. It is similar in nature to the boundary element method (BEM), as it does not rely upon the discretization of volumes or areas in the modeled system; only internal and external boundaries are discretized. One of the primary distinctions between AEM and BEMs is that the boundary integrals are calculated analytically. Although originally developed to model groundwater flow, AEM has subsequently been applied to other fields of study including studies of heat flow and conduction, periodic waves, and deformation by force.
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.
The basic premise of the analytic element method is that, for linear differential equations, elementary solutions may be superimposed to obtain more complex solutions. A suite of 2D and 3D analytic solutions ("elements") are available for different governing equations. These elements typically correspond to a discontinuity in the dependent variable or its gradient along a geometric boundary (e. g., point, line, ellipse, circle, sphere, etc.). This discontinuity has a specific functional form (usually a polynomial in 2D) and may be manipulated to satisfy Dirichlet, Neumann, or Robin (mixed) boundary conditions. Each analytic solution is infinite in space and/or time. Commonly each analytic solution contains degrees of freedom (coefficients) that may be calculated to meet prescribed boundary conditions along the element's border. To obtain a global solution (i. e., the correct element coefficients), a system of equations is solved such that the boundary conditions are satisfied along all of the elements (using collocation, least squares minimization, or a similar approach). Notably, the global solution provides a spatially continuous description of the dependent variable everywhere in the infinite domain, and the governing equation is satisfied everywhere exactly except along the border of the element, where the governing equation is not strictly applicable due to discontinuity. The ability to superpose numerous elements in a single solution means that analytical solutions can be realized for arbitrarily complex boundary conditions. That is, models that have complex geometries, straight or curved boundaries, multiple boundaries, transient boundary conditions, multiple aquifer layers, piecewise varying properties, and continuously varying properties can be solved. Elements can be implemented using far field expansions such that models containing many thousands of elements can be solved efficiently to high precision. The analytic element method has been applied to problems of groundwater flow governed by a variety of linear partial differential equations including the Laplace, the Poisson equation, the modified Helmholtz equation, the heat equation, and the biharmonic equations. Often these equations are solved using complex variables which enables using mathematical techniques available in complex variable theory. A useful technique to solve complex problems is using conformal mapping which maps the boundary of a geometry, e. g. an ellipse, onto the boundary of the unit circle where the solution is known. In the analytic element method the discharge potential and stream function, or combined the complex potential, are used. This potential links the physical properties of the groundwater system, the hydraulic head or flow boundaries, to a mathematical representation of a potential. This mathematical representation can be used to calculate the potential in terms of position and thus also solve groundwater flow problems. Elements are developed by solving the boundary conditions for either of these two properties, hydraulic head or flow boundary, which results in analytical solutions capable of dealing with numerous boundary conditions.
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.
As mentioned the analytic element method thus does not rely on the discretization of volume or area in the model, as in the finite elements or finite different methods. Thus, it can model complex problems with an error in the order of machine precision. This is illustrated in a study that modeled a highly heterogeneous, isotropic aquifer by including 100,000 spherical heterogeneity with a random conductivity and tracing 40,000 particles. The analytical element method can efficiently be used as verification or as a screening tool in larger projects as it may fast and accurately calculate the groundwater flow for many complex problems. In contrast to other commonly used groundwater modeling methods, e. g. the finite elements or finite different method, the AEM does not discrete the model domain into cells. This gives the advantage that the model is valid for any given point in the model domain. However, it also imposes that the domain is not as easily divided into regions of e. g. different hydraulic conductivity, as when modeling with a cell grid; however, one solution to this problem is to include subdomains to the AEM model. There also exist solutions for implementing vertically varying properties or structures in an aquifer in an AEM model.