s3Eva_IT2019_T3 Difusión en sólidos

Siguiendo el procedimiento planteado en la sección EDP parabólicas, se plantea la malla del ejercicio:

Para plantear la ecuación en forma discreta:

\frac{\phi_{i,j+1}-\phi_{i,j}}{\Delta t}=D\frac{\phi_{i+1,j}-2\phi_{i,j}+\phi_{i-1,j}}{(\Delta x)^2}

y resolver usando el método explícito para ecuaciones parabólicas, obteniendo el siguiente resultado:

\phi_{i,j+1}-\phi_{i,j}=D\frac{\Delta t }{\Delta x^2}(\phi_{i+1,j}-2\phi_{i,j}+\phi_{i-1,j}) \lambda = D\frac{\Delta t }{\Delta x^2} \phi_{i,j+1}-\phi_{i,j}=\lambda (\phi_{i+1,j}-2\phi_{i,j}+\phi_{i-1,j}) \phi_{i,j+1} =\lambda \phi_{i+1,j}-2\lambda\phi_{i,j}+\lambda\phi_{i-1,j}+\phi_{i,j} \phi_{i,j+1} =\lambda \phi_{i+1,j}(1-2\lambda)\phi_{i,j}+\lambda\phi_{i-1,j} \phi_{i,j+1} =P \phi_{i+1,j}+Q\phi_{i,j}+R\phi_{i-1,j}

siendo:
P = λ = 0.16 (Δx/100)/Δx2 = 0.0016/Δx = 0.0016/0.02=0.08
Q = 1-2λ = 1-2*(0.08) = 0.84
R = λ =0.08

\phi_{i,j+1} =0.08 \phi_{i+1,j}+ 0.84\phi_{i,j}+0.08\phi_{i-1,j}

Iteración 1 en tiempo:
i=1, j=0

\phi_{1,1} =0.08 \phi_{2,0}+ 0.84\phi_{1,0}+0.08\phi_{0,0} \phi_{1,1} =0.08 (0)+ 0.84(0)+0.08(5)=0.4

i=2,j=0

\phi_{2,1} =0.08 \phi_{3,0}+ 0.84\phi_{2,0}+0.08\phi_{1,0} = 0

Para los proximos valores i>2, todos los resultados son 0

Iteración 2 en tiempo
i=1, j=1

\phi_{1,2} =0.08 \phi_{2,0}+ 0.84\phi_{1,0}+0.08\phi_{0,0}

\phi_{1,2} =0.08 (0)+ 0.84(0.4)+0.08(5)=0.736
i=2, j=1

\phi_{2,2} =0.08 \phi_{3,1}+ 0.84\phi_{2,1}+0.08\phi_{1,1} \phi_{2,2} =0.08(0)+ 0.84(0)+0.08(0.4) = 0.032

i=3, j=1

\phi_{3,2} =0.08\phi_{4,1}+ 0.84\phi_{3,1}+0.08\phi_{2,1}=0

Para los proximos valores i>3, todos los resultados son 0

Tarea: Desarrollar la iteración 3 en el tiempo.

siguiendo las iteraciones se tiene la siguiente tabla:

[[5.0, 0.000, 0.000, 0.00000, 0.00000 , 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
 [5.0, 0.400, 0.000, 0.00000, 0.00000 , 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
 [5.0, 0.736, 0.032, 0.00000, 0.00000 , 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
 [5.0, 1.021, 0.085, 0.00256, 0.00000 , 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
 [5.0, 1.264, 0.153, 0.00901, 0.00020, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0]
...
]

Con lo que se obtiene la siguiente gráfica.

El resultado se interpreta mejor con una animación:

Tarea: Presentar el orden de error de la ecuación basado en las fórmulas de diferenciación


Algorirmo en Python

# 3EIT2019T4.Difusión en sólidos. 2da Ley de Fick
# EDP parabólicas. método explícito, usando diferencias finitas
# http://blog.espol.edu.ec/matg1013/3eva_it2018_t3-edp-parabolica-temperatura-en-varilla/
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO
# Valores de frontera
Ta = 5
Tb = 0
T0 = 0
# longitud en x
a = 0
b = 0.1
# Constante K
K = 1/(1.6e-1)
# Tamaño de paso
dx = 0.02
dt = dx/100
# iteraciones en tiempo
n = 50

# PROCEDIMIENTO
# iteraciones en longitud
xi = np.arange(a,b+dx,dx)
m = len(xi)
ultimox = m-1

# Resultados en tabla u[x,t]
u = np.zeros(shape=(m,n), dtype=float)

# valores iniciales de u[:,j]
j=0
ultimot = n-1
u[0,j]= Ta
u[1:ultimox,j] = T0
u[ultimox,j] = Tb

# factores P,Q,R
lamb = dt/(K*dx**2)
P = lamb
Q = 1 - 2*lamb
R = lamb

# Calcula U para cada tiempo + dt
j = 0
while not(j>=ultimot):
    u[0,j+1] = Ta
    for i in range(1,ultimox,1):
        u[i,j+1] = P*u[i-1,j] + Q*u[i,j] + R*u[i+1,j]
    u[m-1,j+1] = Tb
    j=j+1

# SALIDA
print('Tabla de resultados')
np.set_printoptions(precision=2)
print(u)

# Gráfica
salto = int(n/10)
if (salto == 0):
    salto = 1
for j in range(0,n,salto):
    vector = u[:,j]
    plt.plot(xi,vector)
    plt.plot(xi,vector, '.r')
plt.xlabel('x[i]')
plt.ylabel('phi[i,j]')
plt.title('Solución EDP parabólica')
plt.show()

La animación se complementa con lo mostrado en la sección de Unidades.

2Eva_IT2019_T3 EDP Elíptica Placa 6×5

2da Evaluación I Término 2019-2020. 27/Agosto/2019. MATG1013

Tema 3. (30 Puntos) Una placa rectangular de plata de 6×5 cm tiene calor que se genera uniformemente en todos los puntos, con una rapidez q = 1.5 cal/cm3 s.
Al representar con x la distancia a lo largo del borde de longitud 6 cm y con y la de 5 cm.

Suponga que la temperatura en los bordes se mantiene como se indica:

u(x,0) = x(6-x) u(x,5)=0 0≤x≤6
u(0,y) = y(5-y) u(6,y)=0 0≤y≤5

Donde el origen se encuentra en una esquina de la placa y los bordes se hayan a lo largo de los ejes positivos x, y.

La temperatura de estado estable u(x,y) satisface la ecuación de Poisson:

\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} (x,y)+\frac{\partial ^2 u}{\partial y^2 } (x,y) = -\frac{q}{K}

0≤x≤6
0≤y≤5

Donde K, la conductividad térmica es 1.04 cal/cm deg s.

a. Aproxime la temperatura u(x,y) en los nodos de la malla con hx =2, hy= 2.5

b. Exprese el término del error

Rúbrica: literal a expresiones (10 puntos), valor (5 puntos), literal b (5 puntos)


Referencia: Ejercicio 12.1.8, Burden 9Ed, p724.

2Eva_IT2010_T3 EDP elíptica, Placa no rectangular

2da Evaluación I Término 2010-2011. 31/Agosto/2010. ICM00158

Tema 3. La placa plana mostrada en la figura está construida con cierto metal, y se ha determinado que la temperatura en los bordes de la placa es la que se indica en la figura.

Ademas de tiene que el término no homogéneo asociado a la ecuación elíptica respectiva es f(x,y)=20

\frac{\delta^2 u}{\delta x^2} + \frac{\delta^2 u}{\delta y^2} = f

El problema consiste en determinar la temperatura en los puntos del interior de la placa en la malla que se muestra en la figura.

a. Determinar el algoritmo en diferencias finitas que resuelve el problema

b. Plantear el sistema de ecuaciones lineas que resuelve el problema

c. Utilice el método de Gauss para resolver el sistema de ecuaciones generado

2Eva_IIT2018_T3 EDP

2da Evaluación II Término 2018-2019. 29/Enero/2019. MATG1013

Tema 3. (40 puntos) Resuelva la siguiente ecuación diferencial parcial (EDP) usando un método de diferencias finitas. Considere b = 0

\frac{\delta u}{\delta t} = \frac{\delta ^2 u}{\delta x^2} + b\frac{\delta u}{\delta x} 0<x<1, t>0

condiciones de frontera U(0,t)=0, U(1,t)=1

condiciones de inicio U(x,0)=0, 0≤x≤1

a) Aproxime la solución con h=0.25, realice dos pasos en t

b) estime el error.

Rúbrica: Plantea la malla (5 puntos), Conoce las fórmulas de las derivadas (5 puntos), Plantea la ecuación en los nodos de la malla (5 puntos), plantea las condiciones iniciales y condiciones de borde (5 puntos), Establece el valor de lamda y calcula el tamaño del paso k, (5 puntos) Realiza dos pasos (5 puntos), Conoce las fórmulas del error (5 puntos), calcula el error (5 puntos).

3Eva_IT2018_T3 EDP Parabólica, temperatura en varilla

3ra Evaluación I Término 2018-2019. 11/Septiembre/2018. MATG1013

Tema 3. (30 puntos) La temperatura u(x,t) de una varilla larga y delgada, de sección transversal constante y de un material conductor homogéneo está regida por la ecuación unidimensional de calor. Si se genera calor en el material (por ejemplo, debido a la resistencia de la corriente), la ecuación se convierte en:

\frac{d^2u}{dx^2} + \frac{Kr}{\rho C} = K\frac{du}{dt} 0 \lt x \lt L, 0 \lt t
Donde: Suponga que:
L es la longitud, L =  1.5 cm
ρ es la densidad, ρ = 10.6 g/cm3
C es el calor específico C = 0.056 cal/g deg
K es la difusividad térmica de la varilla K = 1.04 cal/cm deg s
La función r = r(x,t,u) representa el calor generado por unidad de volumen. r(x,t,u) = 5 cal/g deg

Si los extremos de la varilla se mantienen a 0°C, entonces

u(0,t) = u(L,t) = 0, t>0

Suponga que la distribución inicial de la temperatura está dada por:

u(x,0) = \sin \Big( \frac{\pi x}{L} \Big), 0 \le x \le L

Aproxime la distribución de la temperatura con h=0.25, k=0.025 para t=3k


Referencia: Burden 9ed Chapter 12 exercise 18 p738

2Eva_IT2018_T3 EDP Eliptica

2da Evaluación I Término 2018-2019. 28/Agosto/2018. MATG1013

Tema 3. (25 puntos) Considere el problema con valores en la frontera:

\frac{\delta ^2 u}{\delta x^2} + \frac{\delta ^2 u}{\delta y^2} = 2(x^2+y^2) 0<x<1 0<y<1

con las condiciones de frontera en los mismos intervalos que la ecuacion diferencial:

u(x,0) = x + 1 u(0,y) = y+1 u(x,1) = x^2 + x +2 u(1,y) = y^2 + y +2

Use el método de diferencias finitas para resolver el problema tomando como tamaño de paso hx = hy = 1/3

Rúbrica: Selección de diferencias finitas divididas, gráfica del problema (5 puntos), ecuación generalizada con diferencias finitas divididas (5 puntos), Sistema de ecuaciones para los puntos desconocidos (10 puntos). Valores de los puntos desconocidos (5 puntos)

 

3Eva_IIT2017_T3 EDP Elíptica, placa rectangular

3ra Evaluación II Término 2017-2018. Febrero 20, 2018. MATG1013

Tema 3. Aproxime la solución de la siguiente EDP elíptica.

\frac{d^2 u}{dx^2} + \frac{d^2u}{dy^2} = (x^2 + y^2) e^{xy} 0 \lt x \lt 2, 0 \lt y \lt 1

con condiciones de frontera

u(0,y) = 1 , u(2,y) = e^{2y}, 0 \leq y \leq 1 u(x,0) = 1, u(x,1) = e^x , 0 \leq x \leq 2

a) use tamaños de paso h = 2/3 y k = 1/3

b) compare con la solución u(x,y) = exy en forma gráfica

2Eva_IIT2017_T3 EDP parabólica con diferencias regresivas

2da Evaluación II Término 2017-2018. Febrero 7, 2018. MATG1013

Tema 3. Aproxime la solución de la sigiente EDP parcial usando diferencias regresivas

\frac{dU}{dt} - \frac{1}{16} \frac{d^2U}{dx^2} = 0 0 \lt x \lt 1 , 0\lt t U(0,t) = U(1,t) = 0, 0\lt t, U(x,0) = 2 \sin (\pi x), 0\leq x \leq 1

a) Plantee las ecuaciones usando hx = 1/3, ht = 0.05, T = 2

b) Calcule U(xi,tj)

c) Plantee el error de U(xi,tj)

3Eva_IT2017_T4 EDP elíptica, placa desplazada

3ra Evaluación I Término 2017-2018. 11/Septiembre/2017. MATG1013

Tema 4.  Aproxime la solución de la EDP elíptica:

\frac{\delta ^2 U}{\delta x^2} + \frac{\delta ^2 U}{\delta y^2} = \frac{x}{y} + \frac{y}{x}

1 <  x < 2
1 <  y < 2

U(x,1)= x \ln (x), U(x,2) = x \ln (4x^{2}),1 \lt x \lt 2 U(1,y)= y \ln(y), U(2,y) = 2y \ln (2y), 1 \lt x \lt 2

use h = k = 0.5

2Eva_IT2017_T3 EDP parabólica

2da Evaluación I Término 2017-2018. 28/Agosto/2017. MATG1013

Tema 3. (30 puntos) Use el método de diferencias progresivas para aproximar la solución de la siguiente ecuación diferencial parcial parabólica:

\frac{\delta u}{\delta t} - \frac{1}{\pi ^2} \frac{\delta ^2 u}{\delta x^2} =0

0 ≤ x ≤ 1, t>0

condiciones de borde: u(0,t) = u(1,t) = 0, t>0,
condiciones iniciales u(x,0) = cos(π(x-0.5)), 0 ≤ x ≤ 1

a) Use dx = 0.2 y dt = 0.01. Realize 3 pasos en el tiempo.

b) Estime el error.

c) Calcule la temperatura promedio para t=0 como el área bajo la curva, mediante el método de Simpson. Repita para t=0.01 y calcule el porcentaje que disminuye.

Rúbrica: Construir la malla hasta 5 puntos, plantear la ecuación en el nodo i,j hasta 5 puntos, calcular el estimado de u(i,j) hasta la tercera fila hasta 5 puntos, calcular la temperatura media estimada hasta 5 puntos.