Résolution du système tridiagonal Les matrices A et B étant tridiagonales, une implémentation efficace doit stocker seulement les trois diagonales, dans trois tableaux différents. On écrit donc le schéma de Crank-Nicolson sous la forme: Les coefficients du schéma sont ainsi stockés dans des tableaux à N éléments a, b, c, d, e, f, s. On remarque toutefois que les éléments a 0, c N-1, d 0 et f N-1 ne sont pas utilisés. Le système tridiagonal à résoudre à chaque pas de temps est: où l'indice du temps a été omis pour alléger la notation. Le second membre du système se calcule de la manière suivante: Le système tridiagonal s'écrit: La méthode d'élimination de Gauss-Jordan permet de résoudre ce système de la manière suivante. Equation diffusion thermique experiment. Les deux premières équations sont: b 0 est égal à 1 ou -1 suivant le type de condition limite. On divise la première équation par ce coefficient, ce qui conduit à poser: La première élimination consiste à retrancher l'équation obtenue multipliée par à la seconde: On pose alors: On construit par récurrence la suite suivante: Considérons la kième équation réduite et la suivante: La réduction de cette dernière équation est: ce qui justifie la relation de récurrence définie plus haut.
Supposons λ = 0. Il existe alors de même des constantes réelles B, C telles que X ( x) = Bx + C. Equation diffusion thermique analysis. Une fois encore, les conditions aux limites entraînent X nulle, et donc T nulle. Il reste donc le cas λ > 0. Il existe alors des constantes réelles A, B, C telles que Les conditions aux limites imposent maintenant C = 0 et qu'il existe un entier positif n tel que On obtient ainsi une forme de la solution. Toutefois, l'équation étudiée est linéaire, donc toute combinaison linéaire de solutions est elle-même solution. Ainsi, la forme générale de la solution est donnée par La valeur de la condition initiale donne: On reconnait un développement en série de Fourier, ce qui donne la valeur des coefficients: Généralisation [ modifier | modifier le code] Une autre manière de retrouver ce résultat passe par l'application de théorème de Sturm-Liouville et la décomposition de la solution sur la base des solutions propres de la partie spatiale de l'opérateur différentiel sur un espace vérifiant les conditions aux bords.
1. 1 Convection-diffusion thermique La convection thermique Considérons un flux d'air à la vitesse $U$ entre deux plaques et notons $T$ la température. Les conditions aux limites traduisent un échange thermique entre l'intérieur de l'ouvert $\Omega $ et l'extérieur qui est à la température $T_{ext}$. Les notations sont celles introduites au cours 1. Diffusion de la chaleur - Unidimensionnelle. La température dans $\Omega $ est à chaque instant, solution du modèle: \[ \boxed {\begin{array}{l} \overbrace{\varrho c_ v[\displaystyle \frac{\partial T}{\partial t}}^{inertie} + \overbrace{U\displaystyle \frac{\partial T}{\partial x_1}}^{convection}] - \overbrace{div(k\nabla T)}^{\hbox{diffusion}} = \overbrace{r}^{\hbox{ source}}, \hbox{ dans}\Omega, \\ k\displaystyle \frac{\partial T}{\partial \nu}=\xi (T_{ext}-T)\hbox{sur}\partial \Omega, \\ \hbox{ et la température initiale est} T(x, 0)=T_0(x). \end{array}} \] ( $\xi {>}0;k{>}0, \varrho c_ v{>}0$ supposés constants pour simplifier) Le système physique
Dans le cas vu précédemment, cela revient à déterminer les solutions propres de l'opérateur sur l'espace des fonctions deux fois continûment dérivables et nulles aux bords de [0, L]. Les vecteurs propres de cet opérateur sont alors de la forme: de valeurs propres associées. Ainsi, on peut montrer que la base des ( e n) est orthonormale pour un produit scalaire, et que toute fonction vérifiant f (0) = f ( L) = 0 peut se décomposer de façon unique sur cette base, qui est un sous-espace dense de L 2 ((0, L)). En continuant le calcul, on retrouve la forme attendue de la solution. Loi de Fourier : définition et calcul de déperditions - Ooreka. Solution fondamentale [ modifier | modifier le code] On cherche à résoudre l'équation de la chaleur sur où l'on note, avec la condition initiale. On introduit donc l'équation fondamentale: où désigne la masse de Dirac en 0. La solution associée à ce problème (ou noyau de la chaleur) s'obtient [ 3] par exemple en considérant la densité d'un mouvement brownien:, et la solution du problème général s'obtient par convolution:, puisqu'alors vérifie l'équation et la condition initiale grâce aux propriétés du produit de convolution.
Les grandeurs ρ et C sont également dépendantes de T, mais ne sont pas dérivées spatialement. On écrit donc: L'équation de la chaleur devient: Équation de la chaleur avec thermodépendance: Sans la thermodépendance on a: On pose: (a diffusivité en Équation linéaire de la chaleur sans thermodépendance: Autre démonstration de l'équation en partant d'un bilan énergétique Écrivons le bilan thermique d'un élément de volume élémentaire d x d y d z en coordonnées cartésiennes, pour un intervalle de temps élémentaire d t.
Ainsi, la résistance thermique caractérise la capacité d'un matériaux à « faire barrage » à la diffusion de la chaleur. Calcul des déperditions à travers une paroi homogène L'équation de Fourier devient alors: Calcul des déperditions à travers une paroi composée de plusieurs « couches » Pour calculer les déperditions à travers un mur composé de plusieurs épaisseurs de différents matériaux, par exemple d'une maçonnerie et d'un isolant, il suffira d'additionner la résistance thermique de la maçonnerie et celle de l'isolant, pour obtenir la résistance thermique totale du mur. Méthode. Un matériau dit isolant a donc une conductivité thermique faible, inférieure à 0, 2 Watt/(m. °C).
Contrairement au schéma explicite, il est stable sans condition. En revanche, les à l'instant n+1 sont donnés de manière implicite. Il faut donc à chaque instant n+1 résoudre le système à N équations suivant: Ce système est tridiagonal. On l'écrit sous la forme: À chaque étape, on calcule la matrice colonne R et on résout le système. Pour j=0 et j=N-1, l'équation est obtenue par la condition limite. On peut aussi écrire le membre de droite sous la forme: ce qui donne la forme matricielle 2. d. Analyse de stabilité de von Neumann L'analyse de stabilité de von Neumann ( [2] [3]) consiste à ignorer les conditions limites et le terme de source, et à rechercher une solution de la forme suivante: Il s'agit d'une solution dont la variation spatiale est sinusoïdale, avec un nombre d'onde β. Toute solution de l'équation de diffusion sans source et sans condition limite doit tendre vers une valeur uniformément nulle au temps infini. La méthode numérique utilisée est donc stable si |σ|<1 quelque soit la valeur de β.
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