¿Cuál es el método de volumen finito?

Es una forma de discretizar (típicamente) las ecuaciones de Navier Stokes en mecánica de fluidos, aunque, al igual que el método equivalente y relacionado de elementos finitos, se puede aplicar a cualquier problema de mecánica continua.

El enfoque es el siguiente

  1. Divide el espacio en numerosos dominios contiguos no superpuestos llamados células.
  2. Integre las ecuaciones de interés sobre el volumen de cada celda.
  3. Para términos en las ecuaciones que no implican derivaciones espaciales; Esto proporciona alguna forma de valor promedio asociado con el centro de la celda.
  4. Para términos que tienen derivadas espaciales como el término de divergencia (transporte), el teorema de Gauss se puede usar para convertir esto en un término de flujo equivalente.

Esto genera una versión discreta de las ecuaciones. Necesitamos calcular los flujos; en una cuadrícula colocada, interpolamos valores de los centros de celdas para hacer esto. La gran ventaja de todo esto es que las celdas pueden tener cualquier forma deseada; Este es un método general para derivar la discretización. Creo que se usa en CFD porque hay una interpretación intuitiva del resultado en términos de flujos dentro y fuera de las células.

El método de volumen finito es un método para discretizar y resolver aproximadamente ecuaciones diferenciales. Cuando se aplica a ecuaciones diferenciales parciales (PDE), este método generalmente se utiliza para convertir PDEs en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE).

La idea fundamental es tomar un PDE y representarlo como [matemática] L (u) = 0 [/ matemática], donde [matemática] L (\ cdot) [/ matemática] es un operador diferencial y [matemática] u (\ cdot) [/ math] es la función que desea encontrar. Luego integra el PDE de esta forma y divide la integral en pedazos sobre las celdas en una malla que utiliza para definir el dominio del problema.

El método se usa particularmente para problemas de conservación, ya que garantiza la conservación local de cualquier celda y, a su vez, la conservación global siempre que se minimice la amortiguación numérica.

Un ejemplo de cómo funciona esto podría ser el siguiente. Supongamos primero que tenemos un PDE de la forma:

[matemática] \ frac {\ parcial u} {\ parcial t} + \ nabla \ cdot F (u) = 0 [/ matemática]

Luego podemos integrarnos sobre esta integral y llegar a una relación en todas las celdas en las que se divide el dominio:

Si luego asumimos que cada una de las celdas [math] k [/ math] [math] \ Omega_k [/ math] debería ser localmente conservadora, esto significa que cada término integral en la suma debería establecerse igual a 0. Con esto, nosotros puede seguir progresando así:

Tenga en cuenta aquí que [math] \ Gamma_k [/ math] es el límite para la celda [math] \ Omega_k [/ math]. Podemos discretizar aún más el problema asumiendo que la solución en cada celda se puede aproximar con una variable que es constante en toda la celda pero que cambia con el tiempo. Denotaremos esta variable con una barra superior. Con esta suposición, podemos simplificar aún más este problema:

Tenga en cuenta que [matemáticas] \ left | \ Omega_k \ right | [/ math] representa el volumen de la celda [math] \ Omega_k [/ math]. El resultado anterior muestra que el PDE original se ha reducido a un sistema de EDO que están actualizando los valores para [math] \ bar {u} _k \ forall k [/ math]. Esa es la esencia de lo que debe hacerse en general, aunque una cosa a tener en cuenta es que, para las PDE hiperbólicas en la forma anterior, también debe modificar la integral de límite para manejar cualquier problema de Riemann que pueda enfrentar. Esto generalmente viene en la forma de modificar el término dentro de la integral para ser lo que se llama un flujo numérico. Hay muchas estrategias para hacer esto, pero no lo abordaré.

El volumen finito es un método numérico para resolver ecuaciones de conservación utilizando un marco de referencia Euleriano fijo.

La región de interés se discretiza en una malla de volúmenes fijos. Las leyes de conservación están escritas para cada volumen; Se aplican condiciones de límite e iniciales. El resultado es un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas que se integran hacia adelante en el tiempo.

Esta técnica se usa comúnmente en problemas de dinámica de fluidos computacional.