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Space discretization

Wavenumber and wavelength

Wavenumber: kN = 2πk/Δ is a measure of the spatial frequency of a wave.

Wavelength: λn = /kn

Fourier space and convolution

In Fourier space, a convolution integral becomes a simple multiplication:
(f * g) = ∫ f(u)g(x-u)du ⟷ 1/λ(f̂ * ĝ)k = f̂k ĝk

Parseval's theorem

Parseval's theorem: ∫ |f(x)|2 dx = ∑-∞ |f̂k|2 = ∑-∞k(f̂k)*

Derivative property

The Fourier coefficients of g = df/dx is:
dF/dx = d/dx∑k=-∞keikx = ∑k=-∞jkf̂keikxĝk ⟷ (df/dx) = jkf̂k

The Fourier coefficients of g = d2f/dx2 is:
d2f/dx2 = ∑k=-∞(-k2)f̂keikx ⟷ ĝk = (d2/dx2) = -k2k

Truncated Fourier series

We now consider a finite number of harmonics: the truncated Fourier series is defined as:
Sl(f(x)) = ∑k=-N/2N/2kei2πkx/λN where the number of harmonics is truncated to N+1. This truncation will introduce a truncation error as a function of N: ε = f(x) - SN(f(x)).

Aliasing error and sampling

There is a second source of error: the aliasing, where the integral in the definition of Fourier coefficients:
n = ∫Δ0 f(x)e-j2πkx/Δ dx is computed by using a finite number of points, thus introducing the discrete Fourier transform. When using N+1 discretization points, it is impossible to distinguish an harmonic with wavenumber k with another harmonic with a higher wavenumber (±).

In torsion flows, the largest is given by the Koluwo scale η: (kn)max = /η

It's important to find how many sampling points M are needed to avoid aliasing error when simulating a function with harmonics limited to N/2. We need Fourier coefficients to be zero for all harmonics below -N/2 and above N/2. We discovered that we need at least M = N.

Finite difference method

We now consider Nc space N+1 points where the velocity u(x) in the discretized space becomes Ũ:(xi) where xi = (i-1)Δx, i=1,...,N+1, and Δx = Δ/N. We want an algebraic version of differential operators. The continuous derivative is defined as: ∂u/∂x = limh->0 u(x+h) - u(x)/h

Additional information

Space discretization mercoledì 19 luglio 2023 14:16

Wavenumber: km = 2 π kΔ is a measure of the spatial frequency of a wave

Wavelength: λm = 2 πkm

In Fourier space, a convolution integral becomes a simple multiplication:
(f * g) = ∫(f(x)g(x-d))dx → 1Δk ƒk^)

Parseval's theorem: ∫(|f(x)|2)dx = 1Δ Σ ∈ |ƒk|2 = Σ k=-∞&infink|2 = ƒk ƒ*k

Derivative property: The Fourier coefficients of g = df/dx is:
df⁄dx = ddx Σk=-∞k=∞ feikx = Σk=-∞j km ƒeikx&is.;τcfunction = k of work τxƒk = -(df/dx) → j km ƒk

The Fourier coefficients of g - d2f/dxdx is:
d2f/dx2 = Σk=-∞k=∞k2_mfeikx → ƒ^ gk = -(df/dx2) = -k2mƒk

We now consider a finite number of harmonics; the truncated Fourier series is defined as:
SN(f(x)) = Σk=-N/2

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I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher lucaero di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Simulation and modelling of turbulent flows e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia o del prof Cimarelli Andrea.
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