+ All Categories
Home > Documents > MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

Date post: 04-Jun-2018
Category:
Upload: memetcute
View: 242 times
Download: 2 times
Share this document with a friend

of 62

Transcript
  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    1/62

    PERSAMAAN DIFERENSIAPARSIAL

    Partial Differential EquationsPD

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    2/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE2

    Acuan Chapra, S.C., Canale R.P., 1990, Numerical Methods for Eng

    2nd Ed., McGraw-Hill Book Co., New York.

    Chapter 23 dan 24, hlm. 707-749.

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    3/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE3

    Suatu fungsi uyang bergantung padaxdan y: u(x,y Diferensial uterhadapxdi sembarang titik (x,y)

    Diferensial uterhadap ydi sembarang titik (x,y)

    x

    yxuyxxu

    x

    u

    x

    ,,lim0

    y

    yxuyyxu

    y

    u

    y

    ,,lim0

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    4/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE4

    Contoh artifisik:

    uelevasi tanahpada petasituasi.

    uditunjukkanoleh garis-garis (kontour)elevasi tanah.

    Y

    buat potongan memanjanggaris ini apa yang akan

    u(x,y)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    5/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE5

    122

    2

    2

    2

    u

    yuxy

    xu

    yuy

    ux

    yx

    u58

    2

    2

    2

    3

    xyx

    u

    x

    u

    2

    33

    2

    2

    6

    xy

    uxu

    x

    u

    2

    2

    Orde PDE adalah orde tertinggi suk

    PDE merupakan fungsi linear apabi

    fungsi tsb linear pada udan der

    koefisien persamaan tsb hanya bpada variabel bebas (xatau y)

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    PDE Order

    (1) 2

    (2) 3

    (3) 3

    (4) 2

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    6/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE6

    02

    22

    2

    2

    D

    yuC

    yxuB

    xuA

    PDE yang dibahas pada mk Mhanya PDE linear berorde du

    PDE linear berorde dua dan variabel bebas (x,y) dapat dmenjadi:

    eliptik

    parabolik

    hiperbolik

    B2 4AC kategori< 0 eliptik

    = 0 parabolik

    > 0 hiperbolik

    A, B, C : fungsixdan y

    D : fungsix, y, u, u/x, danu/y

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    7/62

    Persamaan Diferensial ParsialPDE7

    B24AC Kategori Nama Persama

    < 0 Eliptik Persamaan Laplace(permanen, 2D spasial)

    = 0 Parabolik Persamaan konduksi panas

    (tak-permanen, 1D spasial)

    > 0 Hiperbolik Persamaan gelombang(tak-permanen, 1D spasial)

    2

    2

    x

    T

    x

    Tk 2

    2

    2

    2

    x

    y

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    8/62

    PDE Eliptik (Persamaan Laplace)

    Teknik Penyelesaian Persamaan Laplace

    Persamaan Diferensial Parsia8

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    9/62

    Persamaan Laplace9

    z

    X

    Y

    Sebuah plat loga kedua permuk

    dengan isolat

    sisi-sisi plat didengan tempe

    transfer panadimungkinkan dan y

    Ditinjau pada sapermanen telah state condition)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    10/62

    Persamaan Laplace10

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    Pada steady-state condition, alirasebuah elemen (lihat gambar di selama periode tharuslah samyang keluar dari elemen tsb:

    xyyqtzyxxq

    tzxyqtzyxq

    q(x) dan q(y) berturut-turut adaarahxdan arah y, dalam satua

    q(x)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    11/62

    Persamaan Laplace11

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    Jika semua suku pada persamaadengan zt, maka:

    yxxqxyqyxq

    Pengelompokan suku dan perkalx/xatau y/ymenghasilka

    qyq

    yxx

    xxqxq

    q(x)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    12/62

    Persamaan Laplace12

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    Pembagian dengan xymeng

    Mengambil nilai limit persamaanmemperhatikan definisi diferensi

    diperoleh:

    0

    y

    q

    x

    q

    y

    yqyq

    x

    xxqxq

    (persamaan kons

    q(x)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    13/62

    Persamaan Laplace13

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    Penyelesaian PDE tsb membutuhkfluks panas q; padahal syarat bdiketahui adalah temperatur T.

    Oleh karena itu, PDE di atas diudalam Tdengan menerapkan Huuntuk konduksi panas.

    0

    yq

    x

    q

    (Fouriers law of

    i

    Tk

    i

    TCkq

    i

    q(x)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    14/62

    Persamaan Laplace14

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    YiTk

    iTCkqi

    q(x)

    qi : fluks panas arah i (kal/cmk : koefisien difusi thermal (cm : rapat massa medium (g/cm

    C : kapasitas panas medium (T : temperatur (C)k : konduktivitas thermal (kal/

    Persamaan di atas menunjukkan panas tegak lurus sumbu isebangradien/slopetemperatur pada

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    15/62

    Persamaan Laplace15

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    02

    2

    2

    2

    y

    T

    x

    T

    q(x)

    Dengan memakai Ficks Law, makonservasi energi dapat dituliska

    yxfy

    T

    x

    T,

    2

    2

    2

    2

    Jika ada sourceatau sink:

    (Persamaa

    (Persamaa

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    16/62

    Persamaan Laplace16

    x

    yq(x)+q(x+x)

    q(y)+q(y+y)

    q(y)

    X

    Y

    i

    HKq

    i

    q(x)

    qi : debit aliran arah i (m3/m/

    K : konduktivitas hidraulik (m2H : tinggi hidraulik (m)i : panjang lintasan, panjang

    Persamaan tsb sama dengan pemelalui medium porus (Hukum Da

    02

    2

    2

    2

    y

    H

    x

    H

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    17/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl17

    Penyelesaian persamaan Laplace, dan berbagai PDE di bidanhampir tidak pernah dilakukan secara analitis, kecuali untuk ka

    yang sederhana.

    Penyelesaian hampir selalu dilakukan dengan cara numeris.

    Teknik penyelesaian PDE secara numeris

    Metoda beda hingga (finite difference approximation, FDA)

    Metoda elemen hingga (finite element method, FEM)

    Metoda volume hingga (finite volume method, FVM)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    18/62

    Finite Difference ApproachFDA18

    x

    y

    X

    Y Langkah pertama dalam FDA

    Domain fisik plat persegi dibagsejumlah pias atau grid titik-titi

    PDE Laplace diubah menjadi pehingga di setiap titik hitung (i,j).

    Di titik hitung interior (simbol bu

    0 1 2 3 40

    1

    2

    3

    4

    2

    1,,1,

    2

    2

    2

    ,1,,1

    2

    2

    2

    2

    y

    TTT

    y

    T

    x

    TTT

    x

    T

    jijiji

    jijiji

    dif(ce

    err err

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    19/62

    Finite Difference ApproachFDA19

    x

    y

    X

    Y Persamaan Laplace dalam bentuk be

    0 1 2 3 40

    1

    2

    3

    4222

    1,,1,

    2

    ,1,,1

    y

    TTT

    x

    TTT jijijijijiji

    Jika ukuran grid seragam, x= y,

    04 ,1,1,,1,1 jijijijiji TTTTT

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    20/62

    Finite Difference ApproachFDA20

    0754

    04

    1,22,11,1

    1,10,12,11,01,2

    TTT

    TTTTT

    Di titik-titik yang berada di batas dobulat putih), berlaku syarat batas (bconditions) temperatur diketahui/

    BC semacam itu dikenal dengan namboundary condition.

    Di titik (1,1):50

    C

    75

    C

    0C

    100C

    Di 8 titik interior yang lain pun dapapersamaan beda hingga diskrit sem

    X

    Y

    0 1 2 3 40

    1

    2

    3

    4

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    21/62

    Finite Difference ApproachFDA21

    Dari 9 titik interior diperoleh sistem paljabar linear yang terdiri dari 9 pe9 unknowns.

    50

    C

    75

    C

    0C

    100C

    X

    Y

    0 1 2 3 40

    1

    2

    3

    4

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    22/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl22

    4

    4

    4

    44

    4

    4

    4

    4

    )9

    )8

    )7

    )6)5

    )4

    )3

    )2

    )1

    33,22,3

    33,23,12,2

    3,23,12,1

    32,32,21,3

    3,22,32,22,11,2

    3,12,22,11,1

    2,31,31,2

    2,21,31,21,1

    2,11,21,1

    TTT

    TTTT

    TTT

    TTTTTTTTT

    TTTT

    TTT

    TTTT

    TTT

    9 persamaan dengan 9 unknowns:

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    23/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl23

    150

    100

    175

    50

    0

    75

    50

    0

    75

    410100000

    141010000

    014001000

    100410100

    010141010

    001014001

    000100410

    000010141

    000001014

    3,3

    3,2

    3,1

    2,3

    2,2

    2,1

    1,3

    1,2

    1,1

    T

    T

    T

    T

    T

    T

    T

    T

    T

    9 persamaan dengan 9 unknowns dalam bentuk matriks

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    24/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl24

    Sistem persamaan aljabar yang dihasilkan dari penerappersamaan beda hingga di semua titik interior diselesaikan dengan salah satu metoda yang telah dibahas pa

    sebelum UTS

    untuk 9 persamaan, penyelesaian masih dapat dilakukan dengmemakai cara tabulasi spreadsheet

    untuk jumlah persamaan yang banyak, seperti biasa ditemui dpermasalahan civil engineering, perlu bantuan program kompu MatLab

    Numerical Recipes

    Etc. (dapat dicari di internet)

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    25/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl25

    Metoda iteratif: Gauss-Seidel iteration method

    Dipakai SOR (Successive Over Relaxation) method untuk mempercekonvergensi

    Kriteria konvergensi

    4

    1.1..1.1

    .

    jijijijiji

    TTTTT

    211 ,1,1. n

    jinji

    n TTTji

    hitungan dilakukandengan bantuantabulasi spreadsheet

    %1maxmax 1,

    ,

    1

    ,

    ,

    n

    ji

    n

    ji

    n

    ji

    jiT

    TT

    4

    1..1.11.

    .

    jijijijiji

    TTTTTatau

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    26/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl26

    iterasi, n T1,1 T2,1 T3,1 T1,2 T2,2 T3,2 T1,3 T2,3

    0 0 0 0 0 0 0 0 0

    1 28.1250 10.5469 22.7051 38.6719 18.4570 34.1858 80.1270 74.4690

    2 32.5195 22.3572 28.6011 55.8311 60.8377 71.5700 74.4241 87.3620

    3 41.1859 37.8056 45.4653 71.2290 70.0686 51.5471 87.8846 78.3084

    4 48.4201 42.5799 31.3150 66.3094 54.4950 51.8814 75.9144 73.9756

    5 44.7485 27.6695 32.9241 59.9274 52.7977 50.3842 77.8814 74.9462

    6 38.5996 32.7858 33.4767 60.5401 55.5973 52.9643 77.4916 75.9389

    7 43.8224 33.4432 34.4145 63.6144 56.9367 52.7435 79.2117 76.8051

    8 42.6104 33.5140 33.8893 62.4499 56.0988 52.3259 78.2398 75.6765

    9 42.8062 33.0409 33.8179 62.3681 55.7299 52.1605 78.2718 75.9054

    10 42.5003 32.9976 33.7753 62.2418 55.8746 52.3950 78.2943 75.9671

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    27/62

    Teknik Penyelesaian Persamaan Lapl27

    Y

    0 1 2 3 40

    1

    2

    3

    4

    50

    C

    75

    C

    0C

    100C

    42.50 32.99 33.77

    62.24 55.87 52.39

    78.29 75.96 69.57

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0 1 2 3 4

    TCTC

    i

    TC

    j = 1

    j = 2

    j = 3

    X

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0 1

    TCTCTC

    i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    28/62

    PDE Parabolik

    Penyelesaian PDE Parabolik

    FDA Skema Eksplisit

    FDA Skema ImplisitFDA Skema Crank-Nicolson

    Persamaan Diferensial Parsia28

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    29/62

    PDE Parabolik29

    panasdingin

    Batang logam pipih-panjangdibungkus isolator panas, kecualidi kedua ujung batang yangdiberi panas dengan temperaturberbeda, panas dan dingin.

    X

    Heat balance di dalam batangA

    xtAxxqtAxq

    input output st

    t

    TCx

    xxqxq

    limit persamaan tsb untuk

    t

    TC

    x

    q

    persamaan tsb dibagi vol

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    30/62

    PDE Parabolik30

    panasdingin

    Batang logam pipih-panjangdibungkus isolator panas, kecualidi kedua ujung batang yangdiberi panas dengan temperaturberbeda, panas dan dingin.

    X

    Hukum Fourier untuk konduksi A

    2

    2

    x

    T

    kt

    T

    x

    TCkq

    Persamaan heat balancemenja

    Persamaan kon

    Persamaan di atas merupakandifusi transpor polutan transpor sedimen suspensi

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    31/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Skema Imp31

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    Temperatur batang merupakan fungsi waktu da terhadap waktu, T berupa suku derivatif pertama

    terhadap ruang, T berupa suku derivatif kedua

    Langkah hitungan pada FDA

    Tpada waktu t+tdihitung berdasarkan Tpada

    Tpada waktu t sudah diketahui dari nilai/syarat acondition) atau dari hasil hitungan langkah sebelum

    saat menghitung Tdi suatu titik pada suku derivatyang mana yang dipakai? jika Tpada waktu t dinamai skema e

    jika Tpada waktu t+t

    dinamai skema im

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    32/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Skema Imp32

    ix

    Tk

    t

    T

    titikdi

    2

    2

    i

    n

    i

    n

    i

    x

    Tk

    t

    TT

    2

    21

    2

    11

    12

    x

    TTTk

    t

    TT nn

    i

    n

    in

    i

    n

    i i

    2

    111

    11

    12

    x

    TTTk

    t

    TT nn

    i

    n

    in

    i

    n

    i i

    kkonstan di sepanjang batangdan di sepanjang waktu

    Sk

    S

    xseragam di sepanjang batang

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    33/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Skema Imp33

    t

    X

    n

    n+1

    i+1i1 i

    nni

    n

    i

    n

    i

    n

    i iTTT

    x

    tkTT

    1212

    1

    t

    n

    n+1

    i+i1 i

    n

    i

    nT

    x

    tkT

    x

    tk

    i

    1

    2

    1

    2 21

    1

    Skema Eksplisit Skema Implisit

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    34/62

    FDA: Skema Eksplisit34

    t

    X

    n

    n+1

    82

    ni

    n

    i

    n

    i

    n

    i TTx

    tkTT 212

    1

    Skema Eksplisit

    1060 4 x(cm)

    Konduksi panas di sebuah bapipih panjang

    panjang batang, L= 10 cm, time step, t= 0.1 s koefisien difusi thermal, k= 0 syarat batas: T(x=0,t)= 100

    T(x=20,t) = 50C nilai awal: T(x,t=0) = 0C

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    100CT

    =50

    C

    41 530 2 i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    35/62

    FDA: Skema Eksplisit35

    iterasi waktu (s) temperatur (C) di titik hitung

    n t T0 T1 T2 T3 T4

    0 0 100 0 0 0

    1 0.1 100 2.0875 0 0 1.04

    2 0.2 100 4.0878 0.0436 0.0218 2.04

    3 0.3 100 6.0056 0.1275 0.0645 3.00

    4 0.4 100 7.8450 0.2489 0.1271 3.92

    5 0.5 100 9.6102 0.4050 0.2089 4.80

    4,3,2,12

    112

    1

    iTTT

    x

    tkTT

    nn

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i i

    Hitungan diteruskan sampai t= 12 s

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    36/62

    FDA: Skema Eksplisit36

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    0 2 4 6 8

    Temperatur(C)

    Jarak (cm)

    t= 3 s

    t= 12 st= 9 st= 6 s

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    37/62

    FDA: Skema Eksplisit37

    Konvergensi dan stabilitas hitungan

    Konvergensi berarti bahwa jika xdan tmendekati nol, maka pFDA mendekati penyelesaian eksak.

    Stabilitas berarti bahwa kesalahan hitungan di setiap tahap hitunmengalami amplifikasi, tetapi mengecil seiring dengan berjalanny

    Skema eksplisit konvergen dan stabil jika:

    2

    12

    x

    tk

    k

    xt

    2

    2

    1

    dapat terjadi oskilashitungan

    tidak terjadi oskilasi hitungan

    = 1/6 meminimumkan trunc

    2x

    tk

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    38/62

    FDA: Skema Eksplisit38

    Konvergensi dan stabilitas hitungan

    untuk mendapatkan akurasi hasil hitungan, dibutuhkan xkecil, na

    konsekuensi xkecil adalah tpun harus kecil untuk menjamin konkestabilan hitungan

    jika x dikalikan faktor , maka tperlu dikalikan faktor untmempertahankan konvergensi dan kestabilan hitungan

    skema eksplisit menjadi mahal, dalam arti beban hitungan bertam

    2

    12

    x

    tk

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    39/62

    FDA: Skema Eksplisit39

    t

    X

    n

    n+1

    82

    Skema Eksplisit

    1060 4

    x(cm)

    Konduksi panas di sebuah bapipih panjang

    panjang batang, L= 10 cm, time step, t= 0.1 s koefisien difusi thermal, k= 0 syarat batas: T(x=0,t)= 100

    T(x=20,t) = 50C nilai awal: T(x,t=0) = 0C

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    100CT

    =5

    0C

    Hitung dengan skema eksplisit

    PR dikumpulkan ming

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    40/62

    FDA: Skema Implisit40

    t

    X

    n

    n+1

    82

    Skema Implisit

    1060 4 x(cm)

    Konduksi panas di sebuah bapipih panjang

    panjang batang, L= 10 cm, time step, t= 0.1 s koefisien difusi thermal, k= 0 syarat batas: T(x=0,t)= 100

    T(x=20,t) = 50C nilai awal: T(x,t=0) = 0C

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    100CT

    =5

    0C

    n

    i

    nT

    x

    tkT

    x

    tk

    i

    1

    2

    1

    2 21

    141 530 2 i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    41/62

    FDA: Skema Implisit41

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    TTx

    t

    kTx

    t

    kTx

    t

    k i

    1

    12

    1

    2

    1

    2 211

    Hitungan pada saat n+1=1 atau t+t= 0.1 s:

    1

    4

    1

    3

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    1

    2

    1

    1

    04175.1020875.0:4node

    020875.004175.1020875.0:3node

    020875.004175.1020875.0:2node

    020875.004175.1:1node

    TT

    TTT

    TTT

    TT

    020875.02

    x

    tk 05175.121

    2

    x

    tk

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    42/62

    FDA: Skema Implisit42

    04375.1

    0

    0

    0875.2

    04175.1020875.000

    020875.004175.1020875.00

    0020875.004175.1020875.0

    00020875.004175.1

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    Diperoleh 4 persamaan dengan 4 unknowns

    matriks tridiagonal

    Apabila jumlah persamaan banyak, penyelesaian dilakukan dengan baprogram komputer.

    Salah satu teknik penyelesaian yang dapat dipakai adalah tridiagonaalgorithm(TDMA) yang dapat diperoleh dari internet.

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    43/62

    FDA: Skema Implisit43

    04375.1

    0

    0

    0875.2

    04175.1020875.000

    020875.004175.1020875.00

    0020875.004175.1020875.0

    00020875.004175.1

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    Karena hanya 4 persamaan, penyelesaian masih mudah dilakukan den

    spreadsheetMSExcel

    [A] {T} {RHS}

    {T} = [A]1 {RHS}

    Gunakan fungsi =MINVERSE() dan =MMULT() dalam MSExcel

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    44/62

    FDA: Skema Implisit44

    04375.1

    0

    0

    0875.2

    960309.00192508.00003859.00

    0192508.0960309.00192508.00003859.0

    0003859.00192508.0960309.00192508.0

    00003859.00192508.0960309.0

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    Penyelesaian persamaan tsb dengan bantuan spreadsheet MSExcel ad

    [A]1{T} {RHS}

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    45/62

    FDA: Skema Implisit45

    0461.2

    0209.0

    0406.0

    1750.4

    020875.0

    020875.0

    RHS

    514

    1

    3

    1

    2

    0

    1

    1

    TT

    T

    T

    TT

    Hitungan pada saat n+1=2 atau t+t= 0.2 s:

    Matriks koefisien persamaan [A] tidak berubah Matriks di sebelah kanan tanda = berubah dan merupakan fungsi

    0461.2

    0209.0

    0406.0

    1750.4

    960309.00192508.00003859.00

    0192508.0960309.00192508.00003859.0

    0003859.00192508.0960309.00192508.0

    00003859.00192508.0960309.0

    2

    4

    2

    3

    2

    2

    2

    1

    T

    T

    T

    T

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    46/62

    FDA: Skema Implisit46

    Konduksi atauperambatanpanas hasilhitungandengan skemaimplisit tampaklebih cepat

    daripada hasilhitungandengan skemaeksplisit (padat = 3 s).

    020

    40

    60

    80

    100

    120

    0 2 4 6

    Temperatur(C)

    Jarak (cm)

    implisit

    eksplisit

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    47/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Implisit

    Persamaan dan teknikpenyelesaiannya straight-forward,penyelesaian dilakukan nodepernode

    Rentan terhadap konvergensi danstabilitas hitungan

    Time stepterkendala olehkonvergensi dan stabilitas hitungan

    Persamaan dan teknik lebih rumit, penyelesa

    secara simultan untuk se

    Konvergensi dan stabililebih mudah dijaga

    Time steptidak terkendkonvergensi dan stabili

    47

    Skema eksplisit Skema implisit

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    48/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Implisit48

    t

    X

    Skema Eksplisit

    1) Saat menghitung Tdi i, han

    hitung (nodes)di dalam segyang berpengaruh dalam h

    2) Saat menghitung Tdi i, titik(nodes) di kedua zona ini tidiperhitungkan, padahal sejustru node-node di sini berthd Tdi titik i.

    i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    49/62

    FDA: Skema Eksplisit dan Implisit49

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    2

    1111

    11

    2

    x

    TTTk

    t

    TT nnininini i

    Skema Implisit

    1st order accurate 2nd order accurate

    1) Skema implisit menjamin konvestabilitas hitungan, namun aprderivatif waktu dan suku derivmemiliki akurasi berbeda.

    2) Skema implisit yang memiliki a

    sama pada aproximasi suku dwaktu dan ruang adalah metoNicolson.

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    50/62

    FDA: Metoda Crank-Nicolson50

    t

    X

    n

    n+1

    i+1i1 i

    Skema Crank-Nicolson

    n+

    Aproksimasi suku derivatif waktu pada waktu n+

    t

    TT

    t

    T l

    i

    l

    i

    1

    1

    1

    2

    11

    2

    222

    2

    1 T

    x

    TTT

    x

    T n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    Aproksimasi suku derivatif ruang n+ dianggap sbg nilai rata-rapada waktu ndan n+1

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    51/62

    FDA: Metoda Crank-Nicolson51

    t

    X

    n

    n+1

    i+1i1 i

    Skema Crank-Nicolson

    n+

    Bentuk beda hingga persamaan pdemikian dapat dituliskan sbb.

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    x

    tkT

    x

    tk

    Tx

    tkT

    x

    tk

    212

    1

    2

    1

    12

    12

    12

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    52/62

    FDA: Skema Crank-Nicolson52

    t

    X

    n

    n+1

    82 1060 4 x(cm)

    Konduksi panas di sebuah ba

    pipih panjang

    panjang batang, L= 10 cm, time step, t= 0.1 s koefisien difusi thermal, k= 0 syarat batas: T(x=0,t)= 100

    T(x=20,t) = 50C nilai awal: T(x,t=0) = 0C

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    100CT

    =5

    0C

    41 530 2 i

    Skema Crank-Nicolson

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    53/62

    FDA: Skema Crank-Nicolson53

    Hitungan pada saat n+1=1 atau t+t= 0.1 s:

    04175.2020875.0:4node

    020875.004175.2020875.0:3node

    020875.004175.2020875.0:2node

    020875.004175.2:1node

    1

    4

    1

    3

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    12

    11

    TT

    TTT

    TTT

    TT

    020875.02

    x

    tk 05175.121

    2

    x

    tk

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i T

    x

    tkT

    x

    tkT

    x

    tkT

    x

    tkT

    x

    tk

    21

    2

    1

    12

    1

    2

    1

    12

    1212

    FDA Sk I l

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    54/62

    FDA: Skema Implisit54

    0875.2

    0

    0

    1750.4

    04175.2020875.000

    020875.004175.2020875.00

    0020875.004175.2020875.0

    00020875.004175.2

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    Diperoleh 4 persamaan dengan 4 unknowns

    matriks tridiagonal

    Apabila jumlah persamaan banyak, penyelesaian dilakukan dengan baprogram komputer.

    Salah satu teknik penyelesaian yang dapat dipakai adalah tridiagonaalgorithm(TDMA) yang dapat diperoleh dari internet.

    FDA Sk I li i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    55/62

    FDA: Skema Implisit55

    Karena hanya 4 persamaan, penyelesaian masih mudah dilakukan den

    spreadsheet MSExcel

    [A] {T} {RHS}

    {T} = [A]1 {RHS}

    Gunakan fungsi =MINVERSE() dan =MMULT() dalam MSExcel

    0875.2

    0

    0

    1750.4

    04175.2020875.000

    020875.004175.2020875.00

    0020875.004175.2020875.0

    00020875.004175.2

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    FDA Sk I li i

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    56/62

    FDA: Skema Implisit56

    0875.2

    0

    0

    0450.4

    4898271.00050086.00000512.00

    0050086.04898271.00050086.00000512.0

    0000512.00050086.04898271.00050086.0

    00000512.00050086.04898271.0

    1

    4

    1

    3

    1

    2

    1

    1

    T

    T

    T

    T

    Penyelesaian persamaan tsb dengan bantuan spreadsheet MSExcel ad

    [A]1{T} {RHS}

    FDA Sk C k Ni l

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    57/62

    FDA: Skema Crank-Nicolson57

    0901.4

    0427.0

    0841.0

    1797.8

    RHS

    Hitungan pada saat n+1=2 atau t+t= 0.2 s:

    Matriks koefisien persamaan [A] tidak berubah Matriks di sebelah kanan tanda = berubah dan merupakan fungsi

    0901.4

    0427.0

    0841.0

    1797.8

    4898271.00050086.00000512.00

    0050086.04898271.00050086.00000512.0

    0000512.00050086.04898271.00050086.0

    00000512.00050086.04898271.0

    2

    4

    2

    3

    2

    2

    2

    1

    T

    T

    T

    T

    FDA Sk C k Ni l

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    58/62

    FDA: Skema Crank-Nicolson58

    Konduksi atauperambatanpanas hasilhitungandengan skemaCrank-Nicolsontampak mirip

    dengan hasilhitungandengan skemaeksplisit (padat = 3 s).

    020

    40

    60

    80

    100

    120

    0 2 4 6

    Temperatur(C)

    Jarak (cm)

    implisit

    Crank-Nicolson

    eksplisit

    FDA Sk C k Ni l

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    59/62

    FDA: Skema Crank-Nicolson59

    2

    2

    x

    T

    kt

    T

    2

    1

    1

    11

    1

    1

    12

    kx

    TTTk

    t

    TT n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    Skema FDA = 0 : skema eksplisit = 1 : skema implisit = : skema Crank-Nicolson

    FDA

    FDA P P b lik

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    60/62

    FDA Persamaan Parabolik60

    Bentuk umum FDA persamaan diferensial parsial pa

    n

    i

    n

    i

    n

    i

    xk

    xkT

    x

    tkT

    x

    tkT

    x

    tk

    1

    12

    1

    2

    1

    12

    1

    121

    121

    Skema FDA

    = 0 : skema eksplisit

    = 1 : skema implisit

    = : skema Crank-Nicolson

    FDA P P b lik

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    61/62

    FDA: Persamaan Parabolik61

    t

    X

    n

    n+1

    82 1060 4 x(cm)

    Konduksi panas di sebuah ba

    pipih panjang panjang batang, L= 10 cm,

    time step, t= 0.1 s koefisien difusi thermal, k= 0 syarat batas: T(x=0,t)= 100

    T(x=20,t) = 50C nilai awal: T(x,t=0) = 0C

    100CT=

    50C

    82 1060 4 i

    Hitung sampai steady-sta Skema eksplisit Skema implisit Skema Crank-Nicolson

    1

    2

    2

    x

    Tk

    t

    T

    5 7 93

    x= 1 cm

  • 8/14/2019 MT Persamaan Diferensial Parsial.pdf

    62/62

    62


Recommended