Birjinsli muhitlarda issiqlik o‘tkazuvchanlik tenglamasi uchun qo‘yilgan turli tipdagi chegaraviy masalalarni sonli yechish va algoritmini tuzish

Birjinsli muhitlarda issiqlik o’tkazuvchanlik tenglamasi uchun
qo’yilgan turli tipdagi chegaraviy masalalarni sonli yechish va
algoritmini tuzish
REJA:
I.  Kirish.
II.  Asosiy qism:
1.   Masalaning qo’yilishi  
2.  Olti nuqtali  sxem alar oilasi
3.  Approksimatsiya aniqligi
4.  Issiqlik o`tkazuvchanlik tenglamasi uchun uch qatlamli sxemalar
5.  Sinov eksperiment natijalari
III.  Xulosa
IV.  Foydalanilgan adabiyotlar
Ilova Kirish
Issiqlik   o’tkazuvchanlik   deb   issiqlikni   muhitda   molekulyar   uzatishga
aytiladi.   Bu   jarayon   temperaturaning   tekis   taqsimlanmagan   holatida   ro’y
beradi.   Bu   holda   issiqlik   har   xil   temperaturali   zarrachalarning   bevosita
tutashtirish   hisobiga   uzatiladi   va   molekulalar,   atomlar   va   ozod   elektronlar
orasida   energiya   almashinuviga   olib   keladi.   Issiqlik   o’tkazuvchanlik
moddaning   agregat   holatiga,   uning   tarkibiga,   temperaturasiga,   bosimiga   va
boshqa xarakteristikalariga bog’liq. Ko’p hollarda suyuq holdagi moddaning
issiqlik   o’tkazuvchanligi   gaz   holatdagi   moddaning   issiqlik
o’tkazuvchanligidan taxminan o’n marta ko’p bo’ladi. 
Qattiq   jism   uchun   issiqlik   o’tkazuvchanlik   erish   nuqtasi   atrofida
suyuqlikka   qaraganda   (suyuq   vismut,   olova   va   tellurdan   tashqari)   ancha
yuqori   bo’ladi.   Amaliyotda   jism   ichidagi   va   uning   chegarasi   yaqinidagi
issiqlik  o’tkazuvchanlik  har  xil  bo’lishi  tez-tez uchrab  turadi.  Bu farqlanish
issiqlik   uzatish   jarayoning   borish   shartlarining   o’zgarishi   bilan,   hamda
modda strukturasining o’zgarishi bilan (termik qayta ishlash tekshirish, ko’p
ishlatish va hakazo natijasida sodir bo’ladi. Ushbu ishda chiziqli bo’lmagan
issiqlik   o’tkazuvchanlik   tenglamasi   uchun   chekli   ayirmali   sxemalar   tuzish
masalasi   qaraladi.   Issiqlik   o’tkazuvchanlikka   tashqi   shart-   sharoitlar,
masalan,   nurlanish,   bosimning   o’zgarishi,   magnit   maydoni   sezilarli   ta’sir
qilishi mumkin.            1. Masalaning berilishi
 
Bir   o`lchamli   nostatsionar   issiqlik   o`tkazuvchanlik   tenglamasi
quyidagicha bo`ladi  
                                         (1)
bunda    - temperatura,  s  –  birlik massa issiqlik si g` imi ,   ρ  -  zichlik ,  k
–   issiqlik   o`tkazuvchanlik   koeffitsient i ,         -   issiqlik   manbalari   zichligi ,
ya`ni   birlik   vaqtda   birlik   uzunlikdan   ajralib   chiquvchi   issiqlik .   Agar
,     bo`lsa   tenglama   kvazi chiziqli   deb   ataladi .   Agar
s= const , k= const  bo`lsa tenglama quyidagicha bo`ladi
,                          (2)
bu erda  - temperatura  o`tkazuvchanlik  koeffitsient i .
Umumiylikdan ajralmagan holda    deb  h isoblash mumkin, u holda 
(2)  dan quyidagini hosil qilamiz
                                              (3)
Birinchi chegaraviy masala   (I):     da uzluksiz bo`lgan
quyidagi masalaning   y echimini topamiz  
2.  Olti nuqtali  sxem alar oilasi
Quyidagi to`rni kiritamiz
va    to`rni
ko`rinishda     qadamlar   bilan   kiritamiz,   bunda       da
aniqlangan bo`lib,   y    funktsi yaning     tugundagi    qiymati .
Bir parametrli ayirmali sxemalar oilasini qaraymiz
,             (4) bunda   ,    –  haqiqiy  parametr.
 (4)  sxema ba`zan  vaznli  sxem a  deb ataladi .
CHegaraviy   va   boshlang`ich   shartlar   quyidagicha   aniq
approksimatsiyalanadi :
                                                    (5)
                                                    (6)
Bunda     –   (3)   tenglama   o`ng   tarafi     f     ni   approksim atsiyalovchi
funktsiya ,  masalan
(4)-(6)  ni  (II)  ayirmali masala deb ataymiz .
 (4)  AS quyidagi olti nuqtali  shablon da yozilgan
(4)   tenglama   ichki   tugunlar   deb   ataluvchi      
  tugunlarda   echiladi .     dagi   barcha   ichki   tugunlar   to`plamini
 ko`rinishida belgilaymiz .
(5),   (6)   boshlang`ich   va   chegaraviy   shartlar     ning   chegaraviy
nuqtalarida yoziladi .  t=t
j    to`g`ri chiziqda yotuvchi    to`r tugunlari odatda
qatlamlar  deb ataladi . (4)  da   qiymatlar ikkita qatlamda yotadi va shuning
uchun bunday sxemalar  ikki qatlamli  sxemalar deb ataladi .
 =0   da   (x
i ,t
j+1 ),   (x
i ,t
j ),   (x
i±1 ,t
j )   shablon da   aniqlanuvchi   to`rt   nuqtali
 sxem ani hosil qilamiz yoki uni quyidagicha yoza olamiz
  (7)
t=t
j+1   qatlamning har bir nuqtasidagi   qiymat (7) formula yordamida  t=t
j
qatlamdagi     qiymatlar   orqali   oshkor   ko`rinishda   ifodalanadi .   SHunday
qilib   t=0   da     berilsa,   u   holda   (7)   formula   bo`yicha   ketma-ket
ixtiyoriy   qatlamdagi   y   ning   qiymatlarini   aniqlay   olamiz.   (7)   sxema     oshkor
sxema deb ataladi . 
Agar     bo`lsa,   u   holda   (7)   sxema   oshkormas   ikki   qatlamli   sxema
deb ataladi.   da    larni aniqlash uchun quyidagi chegaraviy shartlarni
qanoatlantiruvchi
,
algebraik tenglamalar sistemasini hosil qilamiz:
(8) i=1,…,I-1 .
(8)  ayirmali tenglama echimi  progonk a usuli bilan topiladi . 
  da  sof oshkormas sxemaga  ega bo`lamiz 
(9)
  da  olti nuqtali simmetrik sxemani  hosil qilamiz  
(10)
ba`zan bu sxema    Krank-Nikol’son  sxemasi  deb ataladi .
    (7) oshkor sxema shabloni            (9) sof oshkormas sxema shabloni
(8) ikki qatlamli oshkormas va (10) Krank-Nikol’son sxemalari shabloni
3. Approksimatsiya aniqligi
(4)-(6)   sxemalar   aniqligi   haqidagi   savolga   javob   berish   uchun   (4)-(6)
masala   echimi     ni   (I)   masala   echimi   u=u(x,t)   bilan   taqqoslash   kerak.
Shunday   qilib   u(x,t)   (I)   masalaning   uzluksiz   y echimi   bo`lsin,   u   holda
qo`yamiz va   ayirmani qaraymiz .
  ni baholash uchun quyidagi normalardan birini tanlaymiz
.
  indekssiz   belgilashlar   yordamida   (4)-(6)
masalani quyidagi ko`rinishda yozamiz  
,(i, j+1)
(i+1,j)
(i-1,j)
(i, j)
(i, j+1) (i+1,j+1)
(i-1, j+1)
(i, j)(i, j+1) (i+1,j+1)
(i-1, j+1)
(i, j)
(i, j+1) (i+1, j+1)
(i-1, j+1)
(i,j) (i+1, j)
(i-1, j) ,      (II)
                     .
  ni   (II)   ga   qo`yib   va   u   ni   berilgan   funktsiya   deb     z     uchun
quyidagi masalani hosil qilamiz
,
,
bunda     – (I)   tenglama   u(x,t)   yechimida (II)   sxemaning
approksimatsi ya   xatoligi .
Ta`rif    .    (II) sxema (I) tenglamani  (m,n)  tartib bilan approksimatsiyalaydi
yoki   (I)   tenglama   u=u(x,t)   yechimda     approksimatsiyaga   ega
deyiladi,   agar     yoki       tengsizliklar   barcha
  lar   uchun   bajarilsa,   M     e sa     h     va     τ     dan   bo g`liq   bo`lmagan   musbat
o`zgarmas,    –    to`rdagi qandaydir norma .  
  u=u(x,t)   dan   x   va     t   bo`yicha   kerakli   hosilalarni   qo`yib,   (II)   ning
approksimatsi ya   tartibini   baholaymiz .   Quyidagi   belgilashlardan
foydalanamiz
.
u(x,t)   ni   (x
i , t
j+0.5 )  nuqta atrofida  Teylor  qatoriga yoyamiz .
Ushbu formulalarni qo`llab  
,
ψ     ni quyidagicha yozamiz
.
Yuqoridagi ifodalarni bu erga qo`yib hamda
   
 
ifodalardan foydalanib
(12)
ni hosil qilamiz.
Bundan ko`rinadiki    da  bunda faqat     .      va       e kanini hisobga
olib  (12)  dan quyidagini hosil qilamiz
(13)
(13) da o`rta qavs ichidagi ifodani nolga tenglab ushbu tenglikka 
kelamiz
.   (14)
  qiymatda   va     esa     bo`lganda   sxema   (II)  
approksimatsiyaga ega.   Agar biz     ni     ifodaga almashtirsak sxema
approksimatsiya   tartibi   buzilmaydi ,   ya`ni     yoki   quyidagiga
kelamiz
  (15)
  –   shunday funktsiyalar sinfi bo`lsinki, ularning     x     bo`yicha    m
va     t     bo`yicha     n     tartibli   hosilalari     da   uzluksiz   bo`lsin .   (13)   va   (14)
formulalardan ko`rinadiki  (II) sxema  quyidagi  approksimatsi yalarga ega:  
1.   yoki   da  bo`ladi ,  agar    bo`lsa ;
2.   da     bo`ladi ,   masalan ,     yoki  
bo`lganda,   agar    bo`lsa ;
3.   da   va       esa   (15)   formula   bilan   berilsa,   bo`ladi ,   agar
 bo`lsa .
(II)   s xema     va     da   odatda   yuqori   tartibli   aniqlikdagi
sxema   deb   ataladi.     o`ng   tarafni   tanlash   berilgan     da   approksimatsiya
tartibiga qo`yilgan talablarga bo`ysungan bo`lishi kerak.
Shunday qilib     da     ni     deb olish mumkin  va
і.k. 
  (13)   dan   ko`rinadiki     xatolikka     da   ham   erishishi
mumkin.   Masalan   deb   olish   mumkin,   bunda   -     h     va       dan
bog`liq bo`lmagan ixtiyoriy o`zgarmas.   ni tanlash sxema turg`unligi sharti
bilan chegaralangan.
4. Issiqlik o`tkazuvchanlik tenglamasi uchun uch qatlamli sxemalar
Ba`zan   uch   qatlamli   sxemalar   qo`llaniladi.   Bunday   sxemalardan   bittasi
Richardson  sxemasidir:    yoki  ,  (16)
bunda   .   Bu   sxema     va   h
bo`yicha ikkinchi tartibli approksimatsiga ega    . Ammo u
absalyut turg`unmas sxemadir. 
 (16) ni quyidagi ko`rinishda yozamiz
.     (17)
Agar   (17)   ning   o`ng   tarafidagi     ni       ga   almashtirsak,   u
holda uch qatlamli «romb» sxemaga ( Dyuffort-Frenkel sxemaga ) kelamiz:
,                 (18)
bu   sxema     ga   nisbatan   oshkor   qoladi   va   absolyut   turg`un   hisoblanadi.
«Romb» sxemani ushbu ko`rinishda yozish mumkin
(19)
bunda   .
Haqiqatdan
.
Bu   ifodani   (18)   ga   qo`yib   (19)   ni   hosil   qilamiz.   Demak   Richardson
sxemasi   «romb»  sxemaning xususiy holi hisoblanadi .   had turg`unlikni
ta`minlaydi .
(19) ning approksimatsiya xatoligi  quyidagicha  
Bundan   ko`rinadiki   «romb»   sxema   shartli   approksimatsi yaga   ega
bo`ladi
,      da .
Agar   deb olsak ,  u holda (19) sxema 
 
ko`rinishdagi tenglamani approksimatsiyalaydi, bunda  . 
Odatda (3) uchun vaznli oshkormas uch qatlamli sxemalar qo`llaniladi
a) simmetri k  sxem alar   ,  (20)
b) simmetri k bo`lmagan  sxem alar
. (21)
(20), (21)  tenglamalar uchta    qatlamga ega .  Shuning uchun
ular     qatlamlarda yoziladi .     qiymatini qo`shimcha ravishda
berish   kerak ,   masalan     yoki   ,   bunda
  ifoda     shartdan tanlanadi .
Ba`zan    ni aniqlash uchun ikki qatlamli sxemalar qo`llaniladi . Hisoblash eksperimenti natijalari 
Qiymatlar quyidagicha kiritiladi:
Grafik : Boshqa hol uchun:
Grafik: Xulosa
Ushbu    ishda    dastlab    bir    o‘lchovli issiqlik o’tkazuvchanlik tenglamasi
uchun     qo‘yilgan     boshlang‘ich     va     chegaraviy     shartlar     asosida  
masalalarni   yechishning     algoritmi     va   dasturiy     vositalari     haqida   so’z
yuritildi.   B ir     o‘lchovli   issiqlik   o’tkazuvchanlik   tenglamasi   Krabk-Nikolson
sxemasi   yordamida   approksimatsiya   qilindi   va   natijalar   olindi  
Yaratilgan    dasturiy    vositalar    yordamida    berilgan  
tenglamalarn in g     sonli   natijalari   olindi   va   bu   yechimlar   asosida   grafiklari
chizildi.   Bu   tenglamalarning   parametrlari   keraklicha   o’zgartirilib   yechimlar
solishtirildi. Bu mustaqil ish bir o’lchovli issiqli o’tkazuvchanlik tenglamasini
to’la yoritib beradi va bu ishda tuzilgan dastur yordamida kerakli natijalarni
ixtiyoriy grafiklarda kuzatishimiz va kerakli xulosalarni chiqara olamiz. Foydalanilgan adabiyotlar
1. Бахвалов  Н.С., Жидков  Н.П.,  Кобельков   Г.Н. Численные методы.
М: Наука, 1987.  (511-526  betlar )
2. Самарский   А.А,   Введение   и   численные   методы.   М:   Наука,   1987.
(234-245 betlar)
3. Самарский   А.А.   Теория   разностных   схем.   М:   Наука,   1989.   (257-
262 betlar)
4. Х ў жаёров   Б.Х.   Қ урилиш   масалаларини   сонли   ечиш   усуллари.
Тошкент,  “Ў збекистон ” , 1995.  (142-150 betlar)
5. Демидович   Б.П.,   Марон   И.А,   Шувалов   Э.З.   Численные   методы
анализа. М: Гос.изд. физ-мат. лит. 1962.  (305-310 betlar)
6. Турчак   Л.И.   Основы   численных   методов.   М.:   Наука,   1987.   (277-279
betlar)
7. Волков Э.А. Численные методы. М.: Наука, 1982.  (225-232 betlar) Ilova
import  matplotlib.pyplot  as  plt
import  numpy  as  np
a,b =  map ( float , input ( "Koordinatalar oralig'ini kiriting: "  ).split())
c,d =  map ( float , input ( "Vaqt oralig'ini kiriting: " ).split())
h =  float ( input ( "Nuqtalar oralig'i masofasini kiriting: " ))
tau =  float ( input ( "Vaqt oralig'i masofasini kiriting: " ))
m =  float ( input ( "O'tkazuvchanlikni kiriting: " ))
# n nuqtalar soni
n =  int ((b-a)/h)
# k vaqtlar soni
k =  int ((d-c)/tau)
l = np.empty((k+ 1 ,n+ 1 ))
# i ustun
i =  0
# j satr
j =  0
for  i  in  range (n+ 1 ):
    l[ 0 ][i] =  0
for  j  in  range (k+ 1 ):
    l[j][ 0 ] =  20
     l[j][n] =  10
for  j  in  range (k):
     for  i  in  range ( 1 ,n):
        l[j+ 1 ][i] = (tau*m*(l[j][i+ 1 ]- 2 *l[j][i]+l[j][i- 1 ]))/(h*h)+l[j][i]
for  j  in  range (k+ 1 ):
     for  i  in  range (n):
         print (l[j][i], end = '  ' )
     print ()
for  j  in  range (k+ 1 ):
     if  j %  100  ==  0 :
        plt.plot(l[j][ 0 :n+ 1 ])
plt.show()

Birjinsli muhitlarda issiqlik o‘tkazuvchanlik tenglamasi uchun qo‘yilgan turli tipdagi chegaraviy masalalarni sonli yechish va algoritmini tuzish