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Green'sche Funktion

Die Linearität der Transportgleichung in Ort und Zeit erlaubt es, das Konzept der Green'schen Funktion auf den Transport einer Konzentrationsverteilung anzuwenden.

Dazu wird die Konzentrationsverteilung tex2html_wrap_inline14176 zu einem Zeitpunkt tex2html_wrap_inline14178 aus infinitessimal kleinen Volumenelementen tex2html_wrap_inline14180 zusammengesetzt. Ein solches Volumenelement am Punkt tex2html_wrap_inline13154 enthält die Stoffmenge tex2html_wrap_inline14184 zum Ausgangszeitpunkt tex2html_wrap_inline14178.

Die Stoffmenge jedes dieser Volumenelemente breitet sich im Laufe der Zeit aus und führt nach einer Zeit tex2html_wrap_inline14188 zu der Konzentrationsverteilung
 equation2580
Dies stellt die Elementarlösung der Diffusionsgleichung (4.1) dar und wird, für eine auf eins normierte Ausgangsverteilung tex2html_wrap_inline14190, als Green'sche Funktion der Diffusionsgleichung bezeichnet. Sie beschreibt die zeitliche Ausbreitung der Stoffmenge, die zum Ausgangszeitpunkt an einem infinitessimal kleinen Punkt konzentriert war. Aus einem Vergleich von (4.47) mit der allgemeinen Form einer dreidimensionalen Gau\3kurve
equation2594
ergibt sich, da\3 es sich bei der Green'schen Funktion der Diffusionsgleichung um eine Gau\3kurve handelt, deren Breite tex2html_wrap_inline12464 nur mit der Wurzel der Zeit anwächst:
 equation2602

An einem beliebigen Punkt tex2html_wrap_inline13152 addieren sich die Beiträge tex2html_wrap_inline14196 aller diffundierten Volumenelemente auf. Die Gesamtverteilung der Konzentration zu einem Zeitpunkt t ergibt sich somit durch Integration der Elementarverteilungen über das gesamte Volumen:
 equation2607

Anschaulich bedeutet dies, da\3 die gesamte Konzentrationsverteilung so diffundiert, als ob sich die Stoffmenge jedes einzelnen Volumenelementes unabhängig von allen anderen ausbreitet. Die Gesamtkonzentration zu einem Zeitpunkt setzt sich wieder aus den diffundierten Einzelverteilungen zusammen. Diese unabhängige Diffusion der Elementarzellen ist eine direkte Folge der Linearität der Diffusionsgleichung.

Die mathematische Form der Gleichung (4.50) entspricht einer Faltung der Ausgangsverteilung tex2html_wrap_inline14176 zu einem Zeitpunkt tex2html_wrap_inline14178 mit der Green'schen Funktion nach einer Zeitdauer (tex2html_wrap_inline14204). Die Lösung der Diffusionsgleichung lä\3t sich somit als Glättung der Ausgangsverteilung mit einer Gau\3maske beschreiben, wobei die Ausdehnung tex2html_wrap_inline12464 der Glättungsmaske nach (4.49) mit der Zeitdauer der Diffusion zusammenhängt. Im Falle einer diskreten Konzentrationsverteilung entspricht dies einer Glättung der dreidimensionalen Datenstruktur mit einer Binomialmaske. Die Punktantwort (engl. point spread function), d. h. die Form der diskreten Faltungsmaske, entspricht somit anschaulich der Green'schen Funktion der Diffusion. Dies zeigt deutlich den Zusammenhang zwischen der Diffusion und der Glättung von Bilddaten in der Digitalen Bildverarbeitung. Die Glättung von Bildern durch eine Faltung mit einer isotropen Binomialmaske entspricht somit einer `Diffusion' der Grauwerte im Bild. Dieser Zusammenhang wird bei der numerischen Simulation der Grenzschicht (Kapitel 5) ausgenutzt.


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Horst Haussecker
Tue Jan 14 19:32:36 MET 1997