Численные методы решения задач с контрастными структурами
Authors: КУЗНЕЦОВ Е Б. , ЛЕОНОВ С С. , ТАРХОВ Д А. , ЦАПКО Е Д. , БАБИНЦЕВА А А. 
Published: January 2025

В статье исследуются особенности численного решения задач Коши для нелинейных дифференциальных уравнений с контрастными структурами (внутренними пограничными слоями). Подобные задачи возникают при моделировании некоторых задач гидродинамики, химической кинетики, теории горения, вычислительной геометрии. Аналитическое решение задач с контрастными структурами удается найти только в исключительных случаях. Численное решение также затруднительно, что связано с плохой обусловленностью уравнений в окрестностях внутренних и пограничных слоев. Для достижения приемлемой точности численного решения необходимо значительно уменьшать шаг интегрирования, что приводит к возрастанию вычислительной сложности. На примере одной тестовой задачи с двумя пограничными и одним внутренним слоями показаны недостатки использования традиционных явных методов Эйлера и Рунге-Кутты 4 порядка точности, а также неявного метода Эйлера с постоянным и переменным шагами интегрирования. Для устранения вычислительных недостатков традиционных методов предложено два подхода. В качестве первого подхода применяется метод наилучшей параметризации, смысл которого состоит в переходе к новому аргументу, отсчитываемому по касательной вдоль интегральной кривой рассматриваемой задачи Коши. Этот метод позволяет получить наилучшим образом обусловленную задачу Коши и устранить вычислительные трудности, возникающие в окрестности внутренних и пограничных слоев. Вторым подходом является полуаналитический способ решения задачи Коши, разрабатываемый в работах А. Н. Васильева, Д. А. Тархова, их учеников и последователей. Данный подход позволяет получить многослойное функциональное решение, которое можно рассматривать как своего рода нелинейную асимптотику. Применительно к решению задач с контрастными структурами полуаналитический метод позволяет получать решение приемлемой точности, даже при высокой жесткости.  Проводится анализ используемых методов. Полученные результаты сравниваются с аналитическим решением выбранной тестовой задачи, а также с результатами, представленными в работах других авторов.

In this paper, we investigate the features of the numerical solution of Cauchy problems for nonlinear differential equations with contrast structures (interior layers). Similar problems arise in the modeling of certain problems of hydrodynamics, chemical kinetics, combustion theory, computational geometry. Analytical solution of problems with contrast structures can be obtained only in particular cases. The numerical solution is also difficult to obtain. This is due to the ill conditionality of the equations in the neighborhood of the interior and boundary layers. To achieve an acceptable accuracy of the numerical solution, it is necessary to significantly reduce the step size, which leads to an increase of a computational complexity. The disadvantages of using the traditional explicit Euler method and fourth-order Runge-Kutta method, as well as the implicit Euler method with constant and variable step sizes are shown on the example of one test problem with two boundaries and one interior layers. Two approaches have been proposed to eliminate the computational disadvantages of traditional methods. As the first method, the best parametrization is applied. This method consists in passing to a new argument measured in the tangent direction along the integral curve of the considered Cauchy problem. The best parametrization allows obtaining the best conditioned Cauchy problem and eliminating the computational difficulties arising in the neighborhood of the interior and boundary layers. The second approach for solving the Cauchy problem is a semi-analytical method developed in the works of Alexander N. Vasilyev and Dmitry A. Tarkhov their apprentice and followers. This method allows obtaining a multilayered functional solution, which can be considered as a type of nonlinear asymptotic. Even at high rigidity, a semi-analytical method allows obtaining acceptable accuracy solution of problems with contrast structures.  The analysis of the methods used is carried out. The obtained results are compared with the analytical solution of the considered test problem, as well as with the results of other authors.