Condición de Courant-Friedrichs-Lewy
1928
- Richard Courant
- Kurt Friedrichs
- Hans Lewy
La condición de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) es un criterio de estabilidad necesario para las soluciones numéricas de ecuaciones hiperbólicas. diferencial parcial ecuaciones utilizando esquemas de integración temporal explícitos. Establece que el tamaño del paso temporal debe ser lo suficientemente pequeño como para que la información no se desplace más allá de una celda de la malla espacial por paso temporal. Para un caso 1D, [latex]C = u \frac{\Delta t}{\Delta x} \le C_{max}[/latex], lo que garantiza la estabilidad numérica.
La condición CFL es un concepto fundamental que rige la estabilidad de los métodos numéricos de avance temporal explícito. Se deriva del principio de que el dominio numérico de dependencia de un punto de la malla debe contener el dominio físico de dependencia. En términos más sencillos, para un cálculo en un punto de la malla (i) en el siguiente paso temporal (n+1), el esquema numérico utiliza información de los puntos vecinos en el paso temporal actual (n). La condición CFL garantiza que cualquier fenómeno físico (como una onda de presión) que pudiera haber llegado al punto (i) en el intervalo de tiempo [latex]\Delta t[/latex] debe haberse originado dentro de ese conjunto de puntos vecinos.
In the formula [latex]C = \frac{u \Delta t}{\Delta x} \le C_{max}[/latex], [latex]C[/latex] is the dimensionless Courant number, [latex]u[/latex] is the maximum wave propagation speed in the system (e.g., fluid velocity plus the speed of sound for compressible flow), [latex]\Delta t[/latex] is the time step, and [latex]\Delta x[/latex] is the grid spacing. The value of [latex]C_{max}[/latex] depends on the specific numerical scheme but is often on the order of 1. If the condition is violated ([latex]C > C_{max}[/latex]), the numerical solution becomes unstable, with errors growing exponentially, leading to a non-physical, divergent result. This imposes a severe restriction on the time step size, especially in meshes with very fine cells ([latex]\Delta x[/latex] is small), making explicit methods computationally expensive for certain problems. Implicit methods, while more complex per time step, are often unconditionally stable and not subject to the CFL constraint, allowing for much larger time steps.
UNESCO Nomenclature: 1208
– Análisis numérico
Precursores
- Método de diferencias finitas
- Teoría de ecuaciones diferenciales parciales (específicamente ecuaciones hiperbólicas)
- Concepto de estabilidad numérica y convergencia
- Análisis de estabilidad de von Neumann
Aplicaciones
- garantizar la estabilidad en los modelos de predicción meteorológica
- Control del tamaño del paso de tiempo en simulaciones aerodinámicas
- Simulación de la propagación de ondas en acústica y electromagnetismo
- Modelado financiero de la fijación de precios de opciones mediante métodos explícitos de diferencias finitas
- Modelado de ondas sísmicas para la exploración de petróleo y gas
- simulaciones en física de plasma y astrofísica
Ideas para posibles innovaciones
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Relacionado con: condición CFL, estabilidad numérica, método explícito, avance temporal, ecuación diferencial parcial hiperbólica, número de Courant, paso temporal, convergencia.