A Fulvia, Silvia e Marzia

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1 A Fulvia, Silvia e Marzia

2 A. Quarteroni Modellistica numerica per problemi differenziali 3 a edizione 13

3 ALFIO QUARTERONI MOX - Dipartimento di Matematica Politecnico di Milano e Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne La figura in copertina rappresenta le isolinee del modulo della velocità di un fluido intorno ad una schiera di cilindri. La simulazione è stata ottenuta da Paola Gervasio mediante risoluzione con elementi spettrali. ISBN Springer Milan Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Milan Berlin Heidelberg New York Springer-Verlag fa parte di Springer Science+Business Media springer.com Springer-Verlag Italia, Milano 2006 Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore. Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla ristampa, all uso di figure e tabelle, alla citazione orale, alla trasmissione radiofonica o televisiva, alla riproduzione su microfilm o in database, alla diversa riproduzione in qualsiasi altra forma (stampa o elettronica) rimangono riservati anche nel caso di utilizzo parziale. Una riproduzione di quest opera, oppure di parte di questa, è anche nel caso specifico solo ammessa nei limiti stabiliti dalla legge sul diritto d autore, ed è soggetta all autorizzazione dell Editore. La violazione delle norme comporta sanzioni previste dalla legge. L utilizzo di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc., in quest opera, anche in assenza di particolare indicazione, non consente di considerare tali denominazioni o marchi liberamente utilizzabili da chiunque ai sensi della legge sul marchio. Impianti forniti dall autore Progetto grafico della copertina: Simona Colombo, Milano Stampa: Signum, Bollate (Mi) Stampato in Italia

4 Indice Prefazione... XI 1 Richiami sulle equazioni alle derivate parziali Definizioni ed esempi Necessità della risoluzione numerica Classificazione delle EDP Forma quadratica associata ad una EDP Esercizi Equazioni di tipo ellittico Un esempio di problema ellittico: l equazione di Poisson Il problema di Poisson nel caso monodimensionale Problema di Dirichlet omogeneo Problema di Dirichlet non omogeneo Problema di Neumann Problema misto omogeneo Condizioni al bordo miste (o di Robin) Il problema di Poisson nel caso bidimensionale Il problema di Dirichlet omogeneo Equivalenza, nel senso delle distribuzioni, tra la forma debole e la forma forte del problema di Dirichlet Il problema con condizioni miste non omogenee Equivalenza, nel senso delle distribuzioni, tra la forma debole e la forma forte per il problema di Neumann Problemi ellittici più generali Teorema di esistenza e unicità Esercizi... 32

5 VI Indice 3 Il metodo di Galerkin-elementi finiti per problemi ellittici Approssimazione con il metodo di Galerkin Analisi del metodo di Galerkin Esistenza e unicità Stabilità Convergenza Il metodo degli elementi finiti nel caso monodimensionale Una definizione di elemento finito nel caso Lagrangiano L approssimazione con elementi finiti lineari Interpolazione e stima di interpolazione Stima dell errore nella norma H Il metodo degli elementi finiti nel caso multidimensionale Risoluzione del problema di Poisson con elementi finiti Condizionamento della matrice di rigidezza Stima dell errore di approssimazione nella norma dell energia Stima dell errore di approssimazione in norma L Il problema dell adattività della griglia Adattività a priori basata sulla ricostruzione delle derivate Adattività a posteriori Stime a posteriori dell errore nella norma L Stime a posteriori di un funzionale dell errore Come ottenere il problema aggiunto Il caso lineare Il caso non lineare Esercizi I metodi spettrali Il metodo di Galerkin spettrale per un problema ellittico Polinomi ortogonali e integrazione numerica gaussiana Polinomi ortogonali di Legendre Integrazione gaussiana Le formule di Gauss-Legendre-Lobatto Metodi G-NI in una dimensione Interpretazione algebrica del metodo G-NI Condizionamento della matrice di rigidezza del metodo G-NI Equivalenza tra il metodo G-NI e un metodo di collocazione Generalizzazione al caso bidimensionale Convergenza del metodo G-NI Metodo G-NI e MES-NI per un problema modello monodimensionale Il metodo G-NI Il metodo MES-NI Metodi spettrali su triangoli e tetraedri Esercizi...139

6 Indice VII 5 Equazioni di diffusione-trasporto-reazione Formulazione debole del problema Analisi di un problema di diffusione-trasporto monodimensionale Analisi di un problema di diffusione-reazione monodimensionale Relazioni tra elementi finiti e differenze finite La tecnica del mass-lumping Schemi decentrati e diffusione artificiale Autovalori del problema di diffusione-trasporto Metodi di stabilizzazione Diffusione artificiale e schemi decentrati agli elementi finiti Il metodo di Petrov-Galerkin Il metodo della diffusione artificiale e della streamline diffusion nel caso bidimensionale Consistenza ed errore di troncamento per i metodi di Galerkin e di Galerkin generalizzato Parte simmetrica e antisimmetrica di un operatore Metodi fortemente consistenti (GLS, SUPG, DW) Analisi del metodo GLS Stabilizzazione tramite funzioni a bolla Alcuni test numerici Un esempio di adattività goal-oriented Esercizi Equazioni paraboliche Formulazione debole e sua approssimazione Stime a priori Analisi di convergenza del problema semi-discreto Analisi di stabilità del θ-metodo Analisi di convergenza del θ-metodo Il caso dell approssimazione spettrale G-NI Esercizi Differenze finite per equazioni iperboliche Un problema di trasporto scalare Una stima a priori Sistemi di equazioni iperboliche lineari L equazione delle onde Il metodo delle differenze finite Discretizzazione dell equazione scalare Discretizzazione di sistemi iperbolici lineari Trattamento del bordo Analisi dei metodi alle differenze finite Consistenza e convergenza Stabilità Analisi di Von Neumann e coefficienti di amplificazione

7 VIII Indice Dissipazione e dispersione Equazioni equivalenti Il caso dello schema upwind Il caso dei metodi di Lax-Friedrichs e Lax-Wendroff Sul significato dei coefficienti nelle equazioni equivalenti Equazioni equivalenti e analisi dell errore Esercizi Elementi finiti e metodi spettrali per equazioni iperboliche Discretizzazione temporale Gli schemi di Eulero in avanti e all indietro Gli schemi upwind, di Lax-Friedrichs e Lax-Wendroff Gli schemi Taylor-Galerkin Il caso multidimensionale Condizioni al bordo e condizioni di compatibilità Discretizzazione temporale Elementi finiti discontinui Il caso unidimensionale Il caso multidimensionale Elementi finiti spazio-temporali Approssimazione con metodi spettrali Il metodo G-NI in un singolo intervallo Il metodo DG-SEM-NI Trattamento numerico delle condizioni al bordo per sistemi iperbolici Trattamento debole delle condizioni al bordo Esercizi Cenni a problemi iperbolici non lineari Equazioni scalari Approssimazione alle differenze finite Approssimazione con elementi finiti discontinui Sistemi iperbolici non-lineari Le equazioni di Navier-Stokes Formulazione debole delle equazioni di Navier-Stokes Le equazioni di Stokes e la loro approssimazione Problemi di punto-sella Formulazione del problema Analisi del problema di punto-sella Approssimazione con il metodo di Galerkin ed analisi di stabilità e convergenza Formulazione algebrica del problema di Stokes Un esempio di problema stabilizzato Un esempio numerico Discretizzazione in tempo delle equazioni di Navier-Stokes

8 Indice IX Metodialledifferenzefinite Metodiallecaratteristiche(oLagrangiani) Metodiapassifrazionari Risoluzione del sistema di Stokes e metodi di fattorizzazione algebrica Esercizi Cenni di programmazione degli elementi finiti Fasioperativediuncodiceaelementifiniti Due parole sul codice utilizzato Calcolonumericodegliintegrali Lecoordinatebaricentriche Alcuniesempidiformulediquadratura Memorizzazione di matrici sparse Lafasediassemblaggio Codificadelleinformazionigeometriche Codificadelleinformazionifunzionali Mappatura tra elemento di riferimento e elemento fisico Lacostruzionedeisistemilocaliediquelloglobale La prescrizione delle condizioni al bordo L integrazioneintempo Edoraconsideriamounesempiocompleto Generazione di griglie nel caso bidimensionale Reticolazione di un dominio poligonale Generazionedigrigliestrutturate Generazionedigriglienonstrutturate Triangolazione di Delaunay Tecnicadiavanzamentodelfronte Tecniche di regolarizzazione Scambio delle diagonali Movimento dei nodi Il metodo dei volumi finiti Alcuniprincipielementari La costruzione dei volumi di controllo per schemi vertex-centered Discretizzazione di un problema di diffusione-trasporto-reazione Analisidell approssimazioneaivolumifiniti Implementazione delle condizioni al bordo Cenni alla discretizzazione delle equazioni di Navier-Stokes Appendice A Richiami di analisi funzionale A.1 Funzionali e forme bilineari A.2 Richiamisulledistribuzioni A.2.1 Lefunzioniaquadratosommabile A.2.2 Derivazionenelsensodelledistribuzioni...422

9 X Indice A.3 Gli spazi di Sobolev A.3.1 Regolarità degli spazi H k (Ω) A.3.2 Lo spazio H 1 0(Ω) A.3.3 Gli operatori di traccia A.4 LospazioL (Ω)eglispaziL p (Ω)con1 p< A.5 Esercizi Appendice B Algoritmi di risoluzione di sistemi lineari B.1 Metodidiretti B.2 Metodiiterativi Riferimenti bibliografici Indice analitico...447

10 Prefazione Queste note sono tratte dalle lezioni di Metodi Numerici per l Ingegneria tenute presso il Politecnico di Milano e da quelle di Analyse Numérique des Équations aux Dérivées Partielles svolte presso l EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne). Esse costituiscono una introduzione elementare alla modellistica numerica di problemi differenziali alle derivate parziali, sia stazionari che evolutivi. L enfasi è posta soprattutto su problemi lineari, ellittici, parabolici e iperbolici. Tuttavia si considerano anche alcuni problemi non lineari, quali le leggi di conservazione e le equazioni di Navier-Stokes per la meccanica dei fluidi. Numerosi esempi di interesse fisico motivano i modelli differenziali che vengono illustrati. Di ognuna delle classi di problemi considerati si illustrano le principali proprietà matematiche e se ne fornisce la cosiddetta formulazione debole, o integrale, che sta alla base del metodo di Galerkin. Indi, come caso notevole del metodo di Galerkin, si introduce il metodo degli elementi finiti, dapprima per problemi ai limiti monodimensionali, quindi nel caso multidimensionale. Se ne analizzano le proprietà di stabilità e di convergenza, si illustrano gli aspetti algoritmici e quelli relativi alla implementazione su calcolatore. Altri metodi, quali le differenze finite ed i metodi spettrali, vengono pure considerati, nell ambito della risoluzione numerica di problemi specifici. Numerosi esercizi corredano i diversi capitoli allo scopo di fornire al lettore la possibilità di acquisire maggiore consapevolezza sui principali argomenti trattati. Il testo è diviso in Capitoli, Sezioni e Sottosezioni. Il Capitolo 1 è dedicato ad un breve richiamo delle equazioni alle derivate parziali ed alla loro classificazione. Nel Capitolo 2 vengono introdotte le equazioni ellittiche (quali i problemi di Laplace e Poisson) e la loro formulazione integrale per condizioni al bordo di tipo generale, dapprima nel caso monodimensionale, poi in quello multidimensionale. Il Capitolo 3 è dedicato al metodo di approssimazione di Galerkin in generale ed al metodo degli elementi finiti in particolare. Nel Capitolo 4 si illustrano i metodi spettrali, ovvero metodi di Galerkin con sottospazi di polinomi globali, e la loro generalizzazione ai metodi pseudo-spettrali (o di collocazione) da un lato ed al metodo degli elementispettrali dall altro. Durante la lettura di questi capitoli il lettore troverà numerosi rinvii alle Appendici. In particolare, nell Appendice A si introducono alcuni elementari con-

11 XII Prefazione cetti di analisi funzionale, di teoria delle distribuzioni e di spazi di Sobolev, necessari per una corretta comprensione della formulazione debole (o integrale) dei problemi ai limiti. Nell Appendice B si richiamano invece alcuni fra gli algoritmi più frequentemente utilizzati per la risoluzione di sistemi lineari generati dalla discretizzazione di problemi alle derivate parziali. Nel Capitolo 5 si introducono i problemi di diffusione e trasporto, si illustrano le difficoltà che derivano dalla presenza di strati limite nella soluzione e si discutono metodi di stabilizzazione, basati su differenze finite ed elementi finiti con opportuna viscosità numerica. Il Capitolo 6 è dedicato ai problemi parabolici, descriventi processi di diffusione, per i quali si usano metodi di discretizzazione spaziale con elementi finiti e temporale con differenze finite. I Capitoli 7, 8 e 9 riguardano i problemi iperbolici, inerenti fenomeni di propagazione di onde. Ci concentreremo soprattutto sul caso dei problemi monodimensionali, al fine di analizzare in dettaglio le proprietà di dissipazione e di dispersione dei diversi schemi numerici che vengono considerati. Il Capitolo 10 è dedicato all approssimazione delle equazioni di Navier-Stokes e ad una breve analisi dei problemi inerenti il soddisfacimento del vincolo di incomprimibilità. Infine nei Capitoli 11 e 12 (scritti in collaborazione con F. Saleri e L. Formaggia) si illustrano gli aspetti relativi alla programmazione del metodo degli elementi finiti. Questo testo è stato scritto per gli studenti di discipline scientifiche, interessati alla modellistica per la risoluzione numerica di problemi differenziali, ma può essere utile anche a ricercatori e studiosi desiderosi di avvicinarsi a questo interessante ramo della matematica applicata. Milano e Losanna, marzo 2000 Alfio Quarteroni In questa terza edizione sono stati riveduti ed ampliati tutti i Capitoli, ed in modo particolare il quarto dedicato ai metodi spettrali, il sesto per ciò che concerne l analisi di problemi parabolici, l ottavo relativamente all approssimazione spettrale di problemi iperbolici, ed infine i Capitoli 11 e 12 concernenti gli aspetti implementativi del metodo agli elementi finiti. In particolare, il Capitolo 11 è scritto in collaborazione con A. Veneziani e L. Formaggia e riporta esempi di programmazione in C++ (un linguaggio orientato agli oggetti). Si è inoltre aggiunto un breve Capitolo, il 13, sull introduzione al metodo dei volumi finiti. Negli ultimi due anni sono usciti in questa stessa serie due monografie che possono essere considerate un importante compendio a questo testo: Equazioni a derivate parziali. Metodi, modelli e applicazioni di S. Salsa, in cui si introducono ed analizzano i problemi differenziali che vengono qui trattati, e Applicazioni ed esercizi di modellistica numerica per problemi differenziali di L. Formaggia, F. Saleri e A. Veneziani, che a tutti gli effetti può considerarsi di supporto a questo testo per ciò che concerne la risoluzione di problemi ed esercizi nonché per l approfondimento delle

12 Prefazione XIII tecniche qui presentate. Segnaliamo anche il testo Elementi di fluidodinamica dig. Riccardi e D. Durante che, illustrando i modelli differenziali basilari della dinamica dei fluidi, può essere considerato come complementare ai Capitoli 9 e 10 inerenti la fluidodinamica numerica. Vorrei ringraziare in modo particolare Simona Perotto per il suo contributo davvero determinante, ma anche Alessandro Veneziani, Nicola Parolini e Paola Gervasio. Infine, ringrazio Francesca Bonadei di Springer per il costante aiuto e gli innumerevoli consigli finalizzati a migliorare questa nuova edizione. Milano e Losanna, 9 luglio 2006 Alfio Quarteroni