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État de Courant–Friedrichs–Lewy

1928
  • Richard Courant
  • Kurt Friedrichs
  • Hans Lewy
Poste de travail de simulation de la dynamique des fluides numérique démontrant la condition CFL dans l'analyse numérique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) est un critère de stabilité nécessaire pour les solutions numériques de problèmes hyperboliques. différentielle partielle à l'aide de schémas d'intégration temporelle explicites. Cela signifie que le pas de temps doit être suffisamment petit pour que l'information ne se propage pas au-delà d'une cellule de la grille spatiale par pas de temps. Pour un cas 1D, [latex]C = u \frac{\Delta t}{\Delta x} \le C_{max}[/latex], garantissant la stabilité numérique.

La condition CFL est un concept fondamental qui régit la stabilité des méthodes numériques explicites à évolution temporelle. Elle découle du principe selon lequel le domaine de dépendance numérique d'un point de grille doit contenir le domaine de dépendance physique. En termes plus simples, pour un calcul à un point de grille (i) au prochain pas de temps (n+1), le schéma numérique utilise les informations des points voisins au pas de temps actuel (n). La condition CFL garantit que tout phénomène physique (comme une onde de pression) qui aurait pu atteindre le point (i) dans l'intervalle de temps [latex]\Delta t[/latex] doit provenir de cet ensemble de points voisins.

Dans la formule [latex]C = \frac{u \Delta t}{\Delta x} \le C_{max}[/latex], [latex]C[/latex] est le nombre de Courant sans dimension, [latex]u[/latex] est la vitesse maximale de propagation des ondes dans le système (par exemple, la vitesse du fluide plus la vitesse du son pour un écoulement compressible), [latex]\Delta t[/latex] est le pas de temps, et [latex]\Delta x[/latex] est l'espacement de la grille. La valeur de [latex]C_{max}[/latex] dépend du schéma numérique spécifique mais est souvent de l'ordre de 1. Si la condition n'est pas respectée ([latex]C > C_{max}[/latex]), la solution numérique devient instable, les erreurs augmentant de manière exponentielle, ce qui conduit à un résultat non physique et divergent. Cela impose une restriction sévère sur la taille du pas de temps, en particulier dans les maillages avec des cellules très fines ([latex]\Delta x[/latex] est petit), ce qui rend les méthodes explicites très coûteuses en termes de calcul pour certains problèmes. Les méthodes implicites, bien que plus complexes par pas de temps, sont souvent inconditionnellement stables et ne sont pas soumises à la contrainte CFL, ce qui permet des pas de temps beaucoup plus importants.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Analyse numérique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Méthode des différences finies
  • Théorie des équations aux dérivées partielles (en particulier les équations hyperboliques)
  • Concept de stabilité numérique et de convergence
  • Analyse de stabilité de Von Neumann

Applications

  • assurer la stabilité des modèles de prévision météorologique
  • contrôle de la taille des pas de temps dans les simulations aérodynamiques
  • simulation de la propagation des ondes en acoustique et en électromagnétisme
  • modélisation financière de la tarification des options à l'aide de méthodes explicites aux différences finies
  • modélisation des ondes sismiques pour l'exploration pétrolière et gazière
  • simulations en physique des plasmas et en astrophysique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Voir aussi : condition cfl, stabilité numérique, méthode explicite, marche temporelle, pde hyperbolique, nombre de courant, pas de temps, convergence.

Contexte historique

État de Courant–Friedrichs–Lewy

1911
1922
1925
1928
1930
1936
1940
1903
1914
1924
1925
1930
1931
1939
1940

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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