background image

Modelowanie komputerowe w ochronie środowiska

Wykład 3

Gradient
Gradient   jest   liniowym   operatorem   przekształcającym   funkcję   skalarną  u(x,y,z)  w   pole 
wektorowe,   którego   składowymi   są   pochodne   cząstkowe  u  względem   współrzędnych 
kartezjańskich.

T

z

y

x

z

u

y

u

x

u

u

u

u

u

u





,

,

grad

u

wskazuje w kierunku największego wzrostu wartości funkcji u, podczas gdy 

u

wskazuje 

w kierunku najszybszego zmniejszania się jej wartości. 

Dywergencja
Drugim   bardzo   ważnym   operatorem   wektorowym   jest   operator   dywergencji.   Dywergencja 
przekształca pole wektorowe 

T

v

v

v

)

,

,

(

3

2

1

v

w pole skalarne 

v

f

:

z

v

y

v

x

v

3

2

1

div

v

v

Operator  dywergencji  opisuje ‘gromadzenie’  (kumulowanie  się) jakiejś wielkości  (ładunku, 
masy, itd.). 

Przypadek jednowymiarowy (1D)
Operatory   gradientu   i   dywergencji   w   przypadku   jednowymiarowym   wyrażają   się   poprzez 
pochodną.

Operator i równanie Laplace’a
Połączenie operatora dywergencji i gradientu daje w wyniku operator Laplace’a:

2

2

2

2

2

2

2

grad

div

z

u

y

u

x

u

u

u

u

u

u

u

u

zz

yy

xx

.

Zauważmy, że jest to ta sama sekwencja operatorów, jaka pojawiła się w równaniu przepływu 
w warstwie nasyconej w przykładzie z wysypiskiem, dla przypadku gdy współczynnik filtracji 

1

K

.

Równanie Laplace’a otrzymuje się przyrównując operator Laplace’a do zera. Jest to rówanie 
jednorodne
Jego niejednorodny odpowiednik nazywa się równaniem Poissona:

0

u

równanie Laplace’a.

f

u

równanie Poissona.

Są to równania różniczkowe cząstkowe, drugiego rzędu, eliptyczne.

Operator dywergencji działający na dowolne pole wektorowe opisuje gromadzenie się jakiejś 
wielkości. A zatem równanie:

0

div

q

q

oznacza brak kumulacji. Czyli w ‘nieskończenie małym otoczeniu” każdego punktu nic się nie 
gromadzi ani nic nie ubywa.
Ponieważ można powiedzieć, że operator dywergencji mierzy różnicę między tym, co wchodzi 
w obszar ‘maleńkiego sąsiedztwa’ danego punktu, i tym, co opuszcza ten obszar, równanie 

0

div

q

q

 jest matematycznym wyrazem prawa zachowania masy.

2006-10-29

1

background image

Modelowanie komputerowe w ochronie środowiska

Wykład 3

Na wektor  q  występujący w tym równaniu mówi się  strumień, np. strumień masy, strumień 
koncentracji,   strumień   objętościowy.   Strumień   jest   wektorem,   ze   wszystkimi   tego 
konsekwencjami: posiada kierunek, zwrot, itd. Na przykład w omawianym wcześniej równaniu 
przepływu (przykład z wysypiskiem), wyrażającym prawo zachowania masy

0

)

,

,

(

)

,

,

(

z

y

x

h

z

y

x

K

wyrażenie

)

,

,

(

)

,

,

(

z

y

x

h

z

y

x

K

q

.

oznacza strumień objętościowy.

Zauważmy na marginesie, że właśnie udało mi się zapisać równanie przepływu w postaci 
układu równań:

0

div

q

q

)

,

(

)

,

(

z

x

h

z

x

K

q

Bardzo wiele zjawisk można opisać za pomocą takiego samego równania. Oprócz omawianego 
przykładu przepływu w warstwie nasyconej, równanie to opisuje rozkład temperatury (stan 
ustalony; współczynnik K oznacza wtedy współczynnik przewodnictwa cieplnego), wychylenie 
membrany w wyniku działania na nią siły, rozkład potencjału w wyniku przyłożonego napięcia 
(elektrostatyka,  K  oznacza   wtedy   współczynnik   przewodności,   zaś   strumień  q  odpowiada 
natężeniu prądu).

Procesy – prawa zachowania
Wiele RRCz  opisujących rzeczywiste procesy  może zostać  wyprowadzonych  na  podstawie 
zasad zachowania. 
Rozważamy przypadek 1D.
Załóżmy, że u(x,t) oznacza koncentrację lub gęstość pewnej substancji (np. zanieczyszczenie)
Ilość substancji u znajdującą się w odcinku 

2

1

x

x

x

w chwili t można opisać za pomocą całki 

2

1

)

,

(

x

x

dx

t

x

u

.

Całka ta reprezentuje całkowitą masę substancji znajdującą się w odcinku 

]

,

[

2

1

x

x

 w chwili t

Jeśli założy się, że w obrębie odcinka masa nie jest tworzona ani nie znika (brak źródeł oraz 
wypływów),   to   zmiana   masy   substancji   może   nastąpić   tylko   w   wyniku   strumienia 
przepływającego przez punkty krańcowe odcinka. Strumień może być zadany poprzez pewną 
funkcję f. W najprostszym przypadku strumień f zależy tylko od wartości funkcji u.
Prawo zachowania wyraża się wtedy:

0

))

,

(

(

)

,

(

t

x

u

f

x

t

x

u

t

Adwekcja
Jeśli substancja jest przenoszona wzdłuż odcinka w wyniku przepływu o prędkości a, to wtedy 
strumień f wyraża się jako

au

u

f

)

(

bo tyle substancji przechodzi przez punkt w jednostce czasu.

Przy założeniu, że jest to jedyne zachodzące zjawisko, otrzymuje się prawo zachowania w 
postaci równania adwekcji:

0

x

t

au

u

2006-10-29

2

background image

Modelowanie komputerowe w ochronie środowiska

Wykład 3

Jest to równanie hiperboliczne (bo jest równaniem pierwszego rzędu). Jego rozwiązanie dla 
danego   warunku   początkowego  

)

0

,

(

)

(

0

x

u

x

u

  wyraża   przemieszczanie   się   początkowego 

profilu z prędkością a:

)

(

)

,

(

0

at

x

u

t

x

u

Dyfuzja
Ruch substancji (w skali makroskopowej) może być wynikiem molekularnej dyfuzji, która 
powoduje przemieszczanie się cząstek substancji z obszarów o większym stężeniu (gęstości) do 
obszarów o stężeniu mniejszym. Można pokazać, że strumień jest proporcjonalny do gradientu 

u

(w przypadku jednowymiarowym do pochodnej 

x

u

 ). A zatem mamy:

x

x

u

u

f

)

(

, lub bardziej ogólnie:

u

u

f

)

(

.

Ta zależność jest znana jako prawo Ficka.
Ale:

 gdy u oznacza temperaturę, jest to prawo Fouriera przewodnictwa ciepła, 
 gdy u oznacza wysokość hydrauliczną – prawo Darcy, 
 gdy u oznacza potencjał – prawo Ohma.
Po podstawieniu tak zdefiniowanego strumienia do prawa zachowania otrzymuje się równanie 
dyfuzji:

xx

t

u

u

 (dla stałej wartości ).

W ogólnym przypadku (więcej wymiarów i dla 

)

(x

 

) równanie dyfuzji ma postać:

)

)

,

,

(

(

u

z

y

x

u

t

Adwekcja i dyfuzja
Jeżeli równocześnie występuje adwekcja i dyfuzja, strumień wyraża się zależnością:

x

x

u

au

u

u

f

)

,

(

a równanie adwekcji-dyfuzji wyraża się następująco:

xx

t

u

au

u

Równania dyfuzji oraz adwekcji-dyfuzji należą do klasy równań parabolicznych. Równanie 
adwekcji-dyfuzji jest wykorzystywane do modelowania transportu zanieczyszczeń.

Składniki źródłowe
W   niektórych   sytuacjach   koncentracja   (ogólnie,   wielkość   reprezentowana   przez  u)     ulega 
zmianie   z   powodu   występowania   źródeł   lub   upustów   substancji.   Jeśli   działanie   takiego 
źródła/upustu są wyrażone za pomocą funkcji 

)

,

t

x

 to otrzymuje się następujące równanie:

xx

t

u

au

u

Reakcja-dyfuzja
Jednym z powodów pojawiania się składników źródłowych są reakcje chemiczne. Równania 
reakcji-dyfuzji mają postać:

)

(u

u

u

xx

t

.

W   równaniu   może   pojawić   się   również   składnik   adwekcyjny   jeśli   reakcja   zachodzi   w 
‘przepływie’.

2006-10-29

3