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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.

La condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) est un critère de stabilité nécessaire pour les solutions numériques de problèmes hyperboliques. différentielle partielle equations using explicit time-integration schemes. It dictates that the time step size must be small enough that information does not travel further than one spatial grid cell per time step. For a 1D case, [latex]C = u \frac{\Delta t}{\Delta x} \le C_{max}[/latex], ensuring numerical stability.

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.

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
- 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.

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