Articulo de referencia

Número de función de Green

En la conducción matemática del calor , el número de la función de Green se utiliza para categorizar de forma única ciertas soluciones fundamentales de la ecuación del calor, lo...

En la conducción matemática del calor , el número de la función de Green se utiliza para categorizar de forma única ciertas soluciones fundamentales de la ecuación del calor, lo que facilita la identificación, el almacenamiento y la recuperación de las soluciones existentes.

Los números se han utilizado durante mucho tiempo para identificar tipos de condiciones de contorno. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El sistema de numeración de la función de Green fue propuesto por Beck y Litkouhi en 1988 [ 4 ] y desde entonces su uso ha ido en aumento. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] El sistema de numeración se ha utilizado para catalogar una gran colección de funciones de Green y soluciones relacionadas. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Aunque los ejemplos que se dan a continuación son para la ecuación del calor , este sistema numérico se aplica a cualquier fenómeno descrito por ecuaciones diferenciales como la difusión , la acústica , el electromagnetismo , la dinámica de fluidos , etc.

Notación

El número de la función de Green especifica el sistema de coordenadas y el tipo de condiciones de contorno que satisface dicha función . Este número consta de dos partes: una letra seguida de un número. La(s) letra(s) indican el sistema de coordenadas, mientras que el número especifica el tipo de condiciones de contorno que se cumplen.

A continuación se presentan algunas de las designaciones del sistema de numeración de la función de Green. Las designaciones del sistema de coordenadas incluyen: X, Y y Z para coordenadas cartesianas; R, Z y φ para coordenadas cilíndricas ; y RS, φ y θ para coordenadas esféricas. En la Tabla 1 se muestran las designaciones para varias condiciones de contorno. La condición de contorno cero es importante para identificar la presencia de un límite de coordenadas donde no existe un límite físico, por ejemplo, lejos en un cuerpo semiinfinito o en el centro de un cuerpo cilíndrico o esférico.

Ejemplos en coordenadas cartesianas

X11

Como ejemplo, el número X11 denota la función de Green que satisface la ecuación del calor en el dominio ( 0 < x < L ) para condiciones de contorno de tipo 1 ( Dirichlet ) en ambos límites x = 0 y x = L. Aquí X denota la coordenada cartesiana y 11 denota la condición de contorno de tipo 1 en ambos lados del cuerpo. El problema de valores de contorno para la función de Green X11 viene dado por

Aquíα{\displaystyle \alpha }es la difusividad térmica (m 2 /s) yδ{\displaystyle \delta }es la función delta de Dirac . Esta GF se desarrolla en otro lugar. [ 12 ] [ 13 ]

X20

Como otro ejemplo cartesiano, el número X20 denota la función de Green en el cuerpo semiinfinito (0<incógnita<{\displaystyle 0<x<\infty }) con una frontera de Neumann (tipo 2) en x = 0. Aquí X denota la coordenada cartesiana, 2 denota la condición de frontera de tipo 2 en x = 0 y 0 denota la condición de frontera de tipo cero (acotación) enincógnita={\displaystyle x=\infty }El problema de valores en la frontera para la función de Green X20 viene dado por

Este GF se publica en otro lugar. [ 14 ] [ 15 ]

X10Y20

Como ejemplo bidimensional, el número X10Y20 denota la función de Green en el cuerpo de un cuarto de infinito (0<incógnita<{\displaystyle 0<x<\infty },0<y<{\displaystyle 0<y<\infty }) con una frontera de Dirichlet (tipo 1) en x = 0 y una frontera de Neumann (tipo 2) en y = 0. El problema de valores en la frontera para la función de Green X10Y20 viene dado por

Existen aplicaciones de GF de semiespacio y cuarto de espacio relacionadas. [ 16 ]

Ejemplos en coordenadas cilíndricas

R03

Como ejemplo en el sistema de coordenadas cilíndricas, el número R03 denota la función de Green que satisface la ecuación del calor en el cilindro sólido ( 0 < r < a ) con una condición de contorno de tipo 3 (Robin) en r = a . Aquí, la letra R denota el sistema de coordenadas cilíndricas, el número 0 denota la condición de contorno cero (acotación) en el centro del cilindro ( r = 0 ), y el número 3 denota la condición de contorno de tipo 3 ( Robin ) en r = a . El problema de valores de contorno para la función de Green R03 viene dado por

Aquík{\displaystyle k}es la conductividad térmica (W/(m K)) yh{\displaystyle h}es el coeficiente de transferencia de calor (W/(m 2 K)). Véase Carslaw y Jaeger (1959 , p. 369) , Cole et al. (2011 , p. 543) para este GF.  

R10

Como otro ejemplo, el número R10 denota la función de Green en un cuerpo grande que contiene un vacío cilíndrico (a < r <{\displaystyle \infty }) con una condición de contorno de tipo 1 (Dirichlet) en r = a . Nuevamente, la letra R denota el sistema de coordenadas cilíndricas, el número 1 denota el contorno de tipo 1 en r = a , y el número 0 denota el contorno de tipo cero (acotación) para valores grandes de r. El problema de valores de contorno para la función de Green R10 viene dado por

Este GF está disponible en otros lugares. [ 17 ] [ 18 ]

R01φ00

Como ejemplo bidimensional, el número R01φ00 denota la función de Green en un cilindro sólido con dependencia angular, con una condición de contorno de tipo 1 (Dirichlet) en r = a . Aquí la letra φ denota la coordenada angular (azimutal) y los números 00 denotan los límites de tipo cero para el ángulo; aquí ningún límite físico toma la forma de la condición de contorno periódica. El problema de valores de contorno para la función de Green R01φ00 viene dado por

Se dispone tanto de una forma transitoria [ 19 ] como de una forma estable [ 20 ] de esta GF.

Ejemplo en coordenadas esféricas

RS02

Como ejemplo en el sistema de coordenadas esféricas , el número RS02 denota la función de Green para una esfera sólida ( 0 < r < b ) con una condición de contorno de tipo 2 ( Neumann ) en r = b . Aquí, las letras RS denotan el sistema de coordenadas radial-esféricas, el número 0 denota la condición de contorno cero (acotación) en r = 0 , y el número 2 denota el contorno de tipo 2 en r = b . El problema de valores de contorno para la función de Green RS02 viene dado por

Este GF está disponible en otros lugares. [ 21 ]

Véase también

Referencias

  1. Luikov 1968
  2. ^ Özışık, M. Necati (1980). Conducción de calor (1ª  ed.). Nueva York: Wiley. ISBN 047105481X.
  3. Nowak, A.; Białecki, R.; Kurpisz, K. (febrero de 1987). "Evaluación de valores propios para problemas de contorno de conducción de calor en sistemas de coordenadas rectangulares y cilíndricas". International Journal for Numerical Methods in Engineering . 24 (2): 419– 445. Bibcode : 1987IJNME..24..419N . doi : 10.1002/nme.1620240210 .
  4. Beck, James V.; Litkouhi, Bahman (marzo de 1988). "Sistema de numeración de conducción de calor para geometrías básicas". International Journal of Heat and Mass Transfer . 31 (3): 505– 515. doi : 10.1016/0017-9310(88)90032-4 .
  5. Al-Nimr, MA; Alkam, MK (19 de septiembre de 1997). "Una condición de contorno térmico generalizada". Transferencia de calor y masa . 33 ( 1– 2): 157– 161. Bibcode : 1997HMT....33..157A . doi : 10.1007/s002310050173 . S2CID 119549322 . 
  6. de Monte, Filippo (septiembre de 2006). "Conducción de calor transitoria multicapa utilizando escalas de tiempo de transición". International Journal of Thermal Sciences . 45 (9): 882– 892. Bibcode : 2006IJTS...45..882D . doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2005.11.006 .
  7. Lefebvre, G. (diciembre de 2010). "Una simulación numérica general basada en modos de conducción transitoria de calor en una losa homogénea unidimensional". Energy and Buildings . 42 (12): 2309– 2322. Bibcode : 2010EneBu..42.2309L . doi : 10.1016/j.enbuild.2010.07.024 .
  8. Toptan, A.; Porter, NW; Hales, JD (2020). "Construcción de una matriz de verificación de código para la conducción de calor con aplicaciones de código de elementos finitos". Journal of Verification, Validation and Uncertainty Quantification . 5 (4): 041002. doi : 10.1115/1.4049037 . OSTI 2352626 . 
  9. Cole et al. 2011
  10. "Biblioteca de funciones de Green" . Consultado el 19 de noviembre de 2020 .
  11. "Caja de herramientas de conducción analítica exacta" . Consultado el 4 de marzo de 2021 .
  12. Luikov 1968 , pág. 388 
  13. Cole et al. 2011
  14. Luikov 1968 , pág. 387 
  15. Carslaw y Jaeger 1959 , pág. 276 
  16. Beck, JV; Wright, N.; Haji-Sheikh, A.; Cole, K. D; Amos. D. (2008). "Conducción en placas rectangulares con temperaturas límite especificadas" . International Journal of Heat and Mass Transfer . 52 ( 19–20 ): 4676–4690 . Bibcode : 2008IJHMT..51.4676B . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.02.020 . S2CID 12677235 . 
  17. Carslaw y Jaeger 1959 , pág. 378 
  18. Thambynayagam, RKM (2011). The Diffusion Handbook . McGraw-Hill. pág. 432. ISBN  9780071751841.
  19. Cole et al. 2011 , pág. 554 
  20. ^ Mélnikov, YA (1999). Funciones de influencia y matrices . Nueva York: Marcel Dekker. pag. 223.ISBN  9780824719418.
  21. Cole et al. 2011 , pág. 309 
  • Carslaw, HS; Jaeger, JC (1959). Conducción del calor en sólidos . Oxford University Press. ISBN 9780198533689.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  • Cole, Kevin D.; Beck, James; Haji-Sheikh, A.; Litkouhi, Bahman (2011). Conducción de calor mediante funciones de Green (2.ª  ed.). doi : 10.1201/9781439895214 . ISBN 9781439813546.
  • Luikov, AV (1968). Teoría analítica de la difusión del calor . Academic Press. pág.  388. ISBN 0124597564.