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答友人:无量纲量和数值模拟

已有 9875 次阅读 2014-2-21 21:13 |个人分类:乱七八糟|系统分类:观点评述

     一般数值模拟的物理模型,都是由一连串的微分方程表出。所谓数值模拟,无非是将微分方程化成差分方程,然后近似求解微分方程的数值解。那么,求解的过程一定会引入误差(即近似解和精确解的差别)。

      误差有两个来源,一是计算机表达一个数总是有个精度问题,表达出来的数和实际的数值总有一个误差,这个叫舍入误差(round-off error,我读书的时候,叫截断误差(truncation error));另外一个误差,是计算差分方程,总要取一个步长,这个步长不可能是无穷小,所以这也会引入一个误差。随着运算步数的增加,这些误差基本上有三种不同的总体趋势,一种是误差稳定下来,甚至变小;另一种是误差总是在某个范围内变动;最后一种是误差会越变越大。数学上,对某类方程,比如椭圆方程,是可以明确给出误差趋势的判别方法的,也有些改善办法。

      但是,对于更多的方程,数学上也没有统一的解决方式。尤其是对于材料加工领域,对于加了各种参数的本构方程和变了形的流体力学方程, 对于某种方程解法的收敛性往往是连一般性的分析办法都没有。

      这样的解的合理性的分析,我们更多的是靠经验,尤其是跟实验数据对比而得的经验。

      这个领域最爱使用的办法,就是选取无量纲量。所谓无量纲量,往往是一连串的有量纲量对消而获得的无量纲的比例参数;也有时是跟某个有量纲的取有具体数值的量相比而得到的结果。一般的讲法,是说无量纲量的引入会简化方程的表述,跟数值模拟没什么关系。但是,无量纲量的引入往往改变了方程的形式,进而改变了差分方程每一步长引入的误差量的大小,使得方程的数值解算法的收敛性得以改善(有时也会使收敛性恶化)。这种改善或者恶化,对于材料学家而言,往往是无意识的。材料学家们经常会采用巫术般的说法,来夸耀和解释自己的算法,并且将之作为自己知识诀窍的一部分。

     而N的材料学家更科学的方式,应该是跟比较S和穷酸的数学家合作,正正规规探讨方程解的收敛性,以提高数学家的N性,同时降低自己的S性。

(请问编辑mm,为什么数公式的各种符号都不见了?)



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