Numerical-analytical method for the Burgers equation
- Authors: Bezrodnykh S.I.1, Pikulin S.V.1
-
Affiliations:
- Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 69, No 2 (2023): Proceedings of the Crimean Autumn Mathematical School-Symposium
- Pages: 208-223
- Section: Articles
- URL: https://journals.rudn.ru/CMFD/article/view/35324
- DOI: https://doi.org/10.22363/2413-3639-2023-69-2-208-223
- EDN: https://elibrary.ru/BSNBJE
Cite item
Full Text
Abstract
We construct an efficient numerical-analytical method for solving the initial-boundary value problem for the Burgers equation on a segment with a periodic boundary condition. The method includes the reduction to a linear problem based on an explicit-implicit time discretization scheme and an analytical solution of an auxiliary linear problem at each time step using the explicit form of the corresponding Green’s function. The efficiency of the constructed method is due to the fact that the algorithm for solving the auxiliary problem has only linear complexity in terms of the number of spatial discretization nodes used, without involving difference approximations of the derivatives of the desired function. On the basis of the Cole-Hopf substitution, we obtain an explicit periodic solution of the problem on the interval and compare the results of the numerical implementation of the constructed algorithm with this explicit solution. The developed method demonstrated a combination of high computational efficiency and accuracy of the result.
About the authors
S. I. Bezrodnykh
Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences
Email: sbezrodnykh@mail.ru
Moscow, Russia
S. V. Pikulin
Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: spikulin@gmail.com
Moscow, Russia
References
- Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы.-М.: Бином, 2011.
- Безродных С.И., Власов В.И. Аналитико-численный метод расчета взаимодействия физических полей в полупроводниковом диоде// Мат. модел.-2015.-27, № 7.-С. 15-24.
- Вабищевич П.Н., Васильева М.В. Явно-неявные схемы для задач конвекции-диффузии-реакции// Сиб. ж. выч. мат.-2012.-15, № 4.- С. 359-369.
- Лизоркин П.И. Курс дифференциальных и интегральных уравнений с дополнительными главами анализа.- М.: ФМЛ, 1981.
- Новиков Б.К. Точные решения уравнения Бюргерса// Акуст. ж. - 1978.- 24, № 4.-С. 577-581.
- Пикулин С.В. О решениях типа бегущей волны уравнения Колмогорова-Петровского-Пискунова// Журн. выч. мат. и мат. физ. -2018.-58, № 2.- С. 244-252.
- Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики.-М.: Наука, 1975.
- Самарский А.А. Теория разностных схем.- М.: Наука, 1989.
- Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии.-М.: Либроком, 2015.
- Солуян С.И., Хохлов Р.В. Распространение акустических волн конечной амплитуды в диссипативной среде// Вестн. МГУ. Сер. 3. Физ. Астрон.- 1961.- № 3.- С. 52-61.
- Уизем Дж.Б. Линейные и нелинейные волны.-М.: Мир, 1977.
- Филиппов А.Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью.-М.: Наука, 1985.
- Ablowitz M., Zeppetella A. Explicit solutions of Fisher’s equation for a special wave speed// Bull. Math. Biol.- 1979.- 41, №. 6.-С. 835-840.
- Ascher U.M., Ruuth S.J., Wetton B.T.R. Implicit-explicit methods for time-dependent partial differential equations// SIAM J. Numer. Anal.- 1995.-32.-С. 797-823.
- Crank J., Nicolson P. A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heatconduction type// Math. Proc. Cambridge Philos. Soc.- 1947.- 49.-С. 50-67.
- Ruuth S.J. Implicit-explicit methods for reaction-diffusion problems in pattern formation// J. Math. Biol.- 1995.- 34, № 2.-С. 148-176.