أنواع الشبكات

الشبكة هي تمثيل لمجال هندسي أكبر بخلايا منفصلة أصغر. تُستخدم الشبكات عادةً لحساب حلول المعادلات التفاضلية الجزئية ، ولإنشاء الرسومات الحاسوبية ، ولتحليل البيانات الجغرافية والخرائطية. تقسم الشبكة الفضاء إلى عناصر (أو خلايا أو مناطق ) يمكن حل المعادلات عليها، مما يُقارب الحل على المجال الأكبر. قد تُقيد حدود العناصر لتكون على حدود داخلية أو خارجية ضمن النموذج. تتمتع العناصر ذات الجودة الأعلى (الشكل الأفضل) بخصائص عددية أفضل، حيث يعتمد تعريف العنصر "الأفضل" على المعادلات العامة الحاكمة والحل الخاص بنموذج الحالة.

أشكال الخلايا الشائعة

ثنائي الأبعاد

الأشكال الأساسية للخلايا ثنائية الأبعاد

هناك نوعان من أشكال الخلايا ثنائية الأبعاد شائعة الاستخدام. وهما المثلث والشكل الرباعي .

العناصر ذات القدرة الحسابية الضعيفة ستكون لها زوايا داخلية حادة أو حواف قصيرة أو كليهما.

مثلث

يتكون هذا الشكل الخلوي من ثلاثة جوانب، وهو من أبسط أنواع الشبكات. تتميز شبكة السطح المثلثية بسهولة وسرعة إنشائها، وهي شائعة الاستخدام في الشبكات غير المنتظمة .

رباعي

يُعد شكل الخلية هذا شكلاً أساسياً رباعي الأضلاع كما هو موضح في الشكل. وهو الأكثر شيوعاً في الشبكات المنظمة.

عادة ما يتم استبعاد العناصر الرباعية من أن تكون أو تصبح مقعرة.

ثلاثي الأبعاد

الأشكال الأساسية للخلايا ثلاثية الأبعاد

العناصر الأساسية ثلاثية الأبعاد هي رباعي الأوجه ، والهرم الرباعي ، والمنشور المثلثي ، وسداسي الأوجه . جميعها لها أوجه مثلثية ورباعية.

يمكن تمثيل النماذج ثنائية الأبعاد المبثوقة بالكامل بواسطة الموشورات والسداسيات كمثلثات وأشكال رباعية مبثوقة.

بشكل عام، قد لا تكون الأوجه الرباعية في ثلاثة أبعاد مستوية تمامًا. ويمكن اعتبار الوجه الرباعي غير المستوي حجمًا رباعي الأوجه رقيقًا مشتركًا بين عنصرين متجاورين.

رباعي الأوجه

يتكون الهرم الرباعي من 4 رؤوس و6 أضلاع، ويحده 4 أوجه مثلثية. في معظم الحالات، يمكن إنشاء شبكة حجمية رباعية الأوجه تلقائيًا.

هرم

يتكون الهرم ذو القاعدة الرباعية من 5 رؤوس و8 أضلاع، ويحده 4 أوجه مثلثة ووجه رباعي واحد. تُستخدم هذه العناصر بفعالية كعناصر انتقالية بين العناصر ذات الأوجه المربعة والمثلثة، وفي الشبكات الهجينة.

منشور ثلاثي

يحتوي المنشور المثلثي على 6 رؤوس و9 أضلاع، ويحده وجهان مثلثان و3 أوجه رباعية. وتكمن ميزة هذا النوع من الطبقات في قدرته على تحليل الطبقة الحدية بكفاءة.

المكعب

المكعب المتوازي المستطيلات، وهو مكعب طوبولوجي ، له 8 رؤوس و12 ضلعًا و6 أوجه رباعية، مما يجعله نوعًا من أنواع المجسمات السداسية . في سياق الشبكات، يُطلق على المكعب المتوازي المستطيلات غالبًا اسم المجسم السداسي أو السداسي أو الطوبة . [ 1 ] بالنسبة لنفس عدد الخلايا، تكون دقة الحلول في الشبكات السداسية هي الأعلى.

يمكن اعتبار منطقتي الهرم والمنشور المثلثي حسابيًا بمثابة سداسيات متدهورة، حيث تم اختزال بعض الحواف إلى الصفر. كما يمكن تمثيل أشكال متدهورة أخرى للسداسي.

الخلايا المتقدمة (متعددة الأوجه)

يحتوي العنصر متعدد السطوح (الثنائي) على أي عدد من الرؤوس والحواف والوجوه. وعادةً ما يتطلب عمليات حسابية أكثر لكل خلية نظرًا لعدد الجيران (عادةً 10). [ 2 ] ومع ذلك، يتم تعويض ذلك بدقة الحساب.

تصنيف الشبكات

شبكة منظمة
شبكة غير منظمة

الشبكات المنظمة

تتميز الشبكات المنظمة باتصالها المنتظم. تشمل العناصر الممكنة الأشكال الرباعية في بُعدين والأشكال السداسية في ثلاثة أبعاد. يتميز هذا النموذج بكفاءة عالية في استخدام المساحة، حيث تُحدد علاقات الجوار من خلال ترتيب التخزين. من المزايا الأخرى للشبكة المنظمة مقارنةً بالشبكة غير المنظمة: تقارب أفضل ودقة أعلى. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

الشبكات غير المنظمة

تتميز الشبكة غير المنتظمة باتصالاتها غير المتجانسة، ولا يمكن تمثيلها بسهولة كمصفوفة ثنائية أو ثلاثية الأبعاد في ذاكرة الحاسوب . وهذا يسمح باستخدام أي عنصر ممكن في برنامج الحل. وبالمقارنة مع الشبكات المنتظمة، التي تكون فيها علاقات الجوار ضمنية، قد يكون هذا النموذج غير فعال من حيث المساحة، لأنه يتطلب تخزينًا صريحًا لعلاقات الجوار. وتتراوح متطلبات التخزين لكل من الشبكة المنتظمة وغير المنتظمة ضمن عامل ثابت. وتستخدم هذه الشبكات عادةً المثلثات في بُعدين، والهرم الرباعي في ثلاثة أبعاد. [ 6 ]

الشبكات الهجينة

تتكون الشبكة الهجينة من مزيج من الأجزاء المنظمة وغير المنظمة، حيث تدمج الشبكات المنظمة وغير المنظمة بكفاءة. يمكن أن تحتوي الأجزاء المنتظمة من الشكل الهندسي على شبكات منظمة، بينما يمكن أن تحتوي الأجزاء المعقدة على شبكات غير منظمة. قد تكون هذه الشبكات غير متطابقة، مما يعني أن خطوط الشبكة لا يلزم أن تتطابق عند حدود الكتل. [ 7 ]

جودة الشبكة

تُعتبر الشبكة ذات جودة أعلى إذا تم حساب حل أكثر دقة بسرعة أكبر. وتوجد علاقة متوترة بين الدقة والسرعة. يؤدي تقليل حجم الشبكة دائمًا إلى زيادة الدقة، ولكنه يزيد أيضًا من التكلفة الحسابية.

تعتمد الدقة على كلٍ من خطأ التقطيع وخطأ الحل. بالنسبة لخطأ التقطيع، تُعدّ الشبكة المعطاة تقريبًا منفصلًا للفضاء، وبالتالي لا يمكنها إلا تقديم حل تقريبي، حتى عند حل المعادلات بدقة. (في تتبع الأشعة في رسومات الحاسوب ، يُعدّ عدد الأشعة المُطلقة مصدرًا آخر لخطأ التقطيع). أما بالنسبة لخطأ الحل، فتتطلب المعادلات التفاضلية الجزئية العديد من التكرارات على الشبكة بأكملها. وينتهي الحساب مبكرًا، قبل حل المعادلات بدقة. ويؤثر اختيار نوع عنصر الشبكة على كلٍ من خطأ التقطيع وخطأ الحل.

تعتمد الدقة على كل من العدد الإجمالي للعناصر وشكل كل عنصر على حدة. وتزداد سرعة كل تكرار (بشكل خطي) مع ازدياد عدد العناصر، ويعتمد عدد التكرارات اللازمة على قيمة الحل المحلي وتدرجه مقارنةً بشكل وحجم العناصر المحلية.

دقة الحل

قد توفر الشبكة الخشنة حلاً دقيقاً إذا كان الحل ثابتاً، لذا تعتمد الدقة على حالة المسألة المحددة. يمكن تحسين الشبكة بشكل انتقائي في المناطق التي تكون فيها تدرجات الحل عالية، مما يزيد من دقة الحل هناك. وتعتمد الدقة، بما في ذلك القيم المُستكملة داخل العنصر، على نوع العنصر وشكله.

معدل التقارب

تُقلل كل تكرارة من الخطأ بين الحل المحسوب والحل الحقيقي. ويعني معدل التقارب الأسرع خطأً أقل مع عدد أقل من التكرارات.

قد يؤدي استخدام شبكة ذات جودة رديئة إلى إغفال خصائص مهمة مثل الطبقة الحدية لتدفق السوائل. سيكون خطأ التجزئة كبيرًا، وسيتأثر معدل التقارب سلبًا، وقد لا يتقارب الحل على الإطلاق.

الاستقلال عن الشبكة

يُعتبر الحل مستقلاً عن الشبكة إذا كان التقطيع وخطأ الحل صغيرين بما يكفي مع عدد كافٍ من التكرارات. وهذا أمر أساسي لمعرفة النتائج المقارنة. تتضمن دراسة تقارب الشبكة تحسين العناصر ومقارنة الحلول المحسّنة بالحلول الأولية. إذا لم يُحدث المزيد من التحسين (أو أي تغييرات أخرى) تغييرًا ملحوظًا في الحل، فإن الشبكة تُعتبر "شبكة مستقلة".

تحديد نوع الشبكة

الانحراف بناءً على الحجم متساوي الأضلاع

إذا كانت الدقة هي الأهم، فإن الشبكة السداسية هي الخيار الأمثل. يجب أن تكون كثافة الشبكة عالية بما يكفي لالتقاط جميع خصائص التدفق، ولكن في الوقت نفسه، يجب ألا تكون عالية جدًا لدرجة التقاط تفاصيل غير ضرورية، مما يُثقل كاهل وحدة المعالجة المركزية ويُهدر المزيد من الوقت. عند وجود جدار، تكون الشبكة المجاورة له دقيقة بما يكفي لحل تدفق الطبقة الحدية، وعمومًا تُفضل الخلايا الرباعية والسداسية والمنشورية على المثلثات والهرم الرباعي والأهرامات. يمكن تمديد الخلايا الرباعية والسداسية عندما يكون التدفق متطورًا بالكامل وأحادي البعد.

يوضح انحراف الشكل الرباعي

يمكن تحديد مدى ملاءمة الشبكة بناءً على الانحراف والنعومة ونسبة العرض إلى الارتفاع. [ 8 ]

الانحراف

يُعدّ انحراف الشبكة مؤشرًا دقيقًا لجودة الشبكة ومدى ملاءمتها. ويؤدي الانحراف الكبير إلى الإضرار بدقة المناطق المُستكمَلة. وهناك ثلاث طرق لتحديد انحراف الشبكة.

بناءً على الحجم المتساوي الأضلاع

هذه الطريقة قابلة للتطبيق على المثلثات والأشكال الرباعية الأوجه فقط وهي الطريقة الافتراضية.

 الانحراف = حجم الخلية الأمثل - حجم الخلية حجم الخلية الأمثل{\displaystyle {\text{ الانحراف }}={\frac {\text{ حجم الخلية الأمثل - حجم الخلية }}{\text{ حجم الخلية الأمثل}}}}
تغيير سلس وكبير في القفزة

بناءً على الانحراف عن الزاوية المتساوية الأضلاع المعيارية

تنطبق هذه الطريقة على جميع أشكال الخلايا والوجوه، وتُستخدم دائمًا تقريبًا مع الموشورات والأهرامات.

 الانحراف (للرباعي) =الأعلى[θالأعلى-9090،90-θمين90]{\displaystyle {\text{ معامل الالتواء (للرباعي ) }}=\max {\left[{\frac {\theta _{\text{max}}-90}{90}},{\frac {90-\theta _{\text{min}}}{90}}\right]}}

انحراف متساوي الزوايا

وهناك مقياس شائع آخر للجودة يعتمد على الانحراف متساوي الزوايا.

 زاوية متساوية معكوسة =الأعلى[θالأعلى-θهـ180-θهـ،θهـ-θمينθهـ]{\displaystyle {\text{ انحراف الزاوية المتساوية }}=\max {\left[{\frac {\theta _{\text{max}}-\theta _{e}}{180-\theta _{e}}},{\frac {\theta _{e}-\theta _{\text{min}}}{\theta _{e}}}\right]}}

أين:

  • θالأعلى{\displaystyle \theta _{\text{max}}\,}هي أكبر زاوية في وجه أو خلية،
  • θمين{\displaystyle \theta _{\text{min}}\,}هي أصغر زاوية في وجه أو خلية،
  • θهـ{\displaystyle \theta _{e}\,}هي الزاوية للوجه أو الخلية متساوية الزوايا، أي 60 درجة للمثلث و90 درجة للمربع.

يُعدّ معامل التواء يساوي صفرًا هو الأمثل، بينما يُفضّل استخدام معامل التواء يساوي واحدًا في أغلب الأحيان. بالنسبة للخلايا السداسية والرباعية، يجب ألا يتجاوز معامل التواء 0.85 للحصول على حل دقيق إلى حدٍّ معقول.

يوضح التغيرات في نسبة العرض إلى الارتفاع

بالنسبة للخلايا المثلثية، يجب ألا يتجاوز الانحراف 0.85 وبالنسبة للخلايا الرباعية، يجب ألا يتجاوز الانحراف 0.9.

نعومة

ينبغي أن يكون التغيير في الحجم سلسًا أيضًا. يجب تجنب القفزات المفاجئة في حجم الخلية لأن ذلك قد يتسبب في نتائج خاطئة في العقد المجاورة.

نسبة العرض إلى الارتفاع

هي نسبة طول الضلع الأطول إلى طول الضلع الأقصر في الخلية. من الناحية المثالية، يجب أن تساوي 1 لضمان أفضل النتائج. في حالة التدفق متعدد الأبعاد ، يجب أن تكون قريبة من الواحد. كما يجب أن تكون الاختلافات المحلية في حجم الخلية ضئيلة، أي ألا يزيد الفرق بين أحجام الخلايا المتجاورة عن 20%. قد يؤدي ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع إلى خطأ استيفاء كبير غير مقبول.

توليد وتحسين الشبكة

انظر أيضًا إلى توليد الشبكات ومبادئ توليد الشبكات . في بُعدين، يُعدّ كلٌّ من قلب الشبكة وتنعيمها أداتين فعّالتين لتحسين جودة الشبكة الضعيفة. يتضمن قلب الشبكة دمج مثلثين لتكوين شكل رباعي، ثم تقسيم هذا الشكل الرباعي في الاتجاه المعاكس لإنتاج مثلثين جديدين. يُستخدم قلب الشبكة لتحسين مقاييس جودة المثلث، مثل الانحراف. يُحسّن تنعيم الشبكة أشكال العناصر وجودة الشبكة الإجمالية من خلال تعديل مواقع رؤوس الشبكة. في تنعيم الشبكة، تُحفظ الخصائص الأساسية، مثل النمط غير الصفري للنظام الخطي ، لأن بنية الشبكة تظل ثابتة. يُعدّ تنعيم لابلاس أكثر تقنيات التنعيم شيوعًا.

انظر أيضاً

مراجع

  1. "عناصر سداسي الأوجه" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 24 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2015 .
  2. "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 2013-12-06 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2018-01-10 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  3. "الجودة والتحكم - سببان لعدم اختفاء الشبكات المنظمة" .
  4. كاستيلو، جيه إي (1991)، "الجوانب الرياضية لتوليد الشبكة"، جمعية الرياضيات الصناعية والتطبيقية، فيلادلفيا
  5. جورج، بي إل (1991)، توليد الشبكة التلقائي
  6. مافريبليس، دي جيه (1996)، "توليد الشبكة والتكيف مع الأشكال الهندسية والتدفقات المعقدة"، دليل ميكانيكا الموائع الحسابية
  7. بيرن، مارشال؛ بلاسمان، بول (2000)، "توليد الشبكة"، دليل الهندسة الحسابية. إلسيفير ساينس
  8. "التشبيك، المحاضرة 7" . أندريه باكر . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-11-2012 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بأنواع الشبكات في ويكيميديا ​​كومنز