Научная статья на тему 'О конечномерной аппроксимации уравнений движений смесей вязких сжимаемых жидкостей'

О конечномерной аппроксимации уравнений движений смесей вязких сжимаемых жидкостей Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
134
14
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
СибСкрипт
ВАК
Область наук
Ключевые слова
СМЕСИ ВЯЗКИХ СЖИМАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ / КРАЕВАЯ ЗАДАЧА / ДИНАМИКА СМЕСЕЙ / MIXTURE OF VISCOUS COMPRESSIBLE FLUIDS / BOUNDARY VALUE PROBLEM / DYNAMICS OF MIXTURES

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Кучер Николай Алексеевич, Краюшкина Марина Владимировна, Малышенко Ольга Владимировна

В работе установлена корректность конечномерной системы операторных уравнений, возникающих в результате аппроксимации системы нелинейных дифференциальных уравнений составного типа, моделирующих пространственные нестационарные течения бинарных смесей вязких сжимаемых жидкостей. Результаты, полученные в этой работе, могут быть положены в основу численного алгоритма решения упомянутой задачи механики.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Кучер Николай Алексеевич, Краюшкина Марина Владимировна, Малышенко Ольга Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FINITE DIMENSIONAL APPROXIMATION OF COMPRESSIBLE NAVIERSTOKES EQUATIONS FOR BINARY MIXTURES

Nonlinear evolutionary equations modelling compressible flows of binary mixtures are considered. Well-posedness of boundary value problems for finite dimensional approximation of these equations is proved. The results can be used for numerical simulation of such flows.

Текст научной работы на тему «О конечномерной аппроксимации уравнений движений смесей вязких сжимаемых жидкостей»

УДК 517.9

О КОНЕЧНОМЕРНОЙ АППРОКСИМАЦИИ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЙ СМЕСЕЙ ВЯЗКИХ СЖИМАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ Н. А. Кучер, М. В. Краюшкина, О. В. Малышенко

FINITE DIMENSIONAL APPROXIMATION OF COMPRESSIBLE NAVIER- STOKES EQUATIONS

FOR BINARY MIXTURES

N. A. Kucher, M. V. Krayushkina, O. V. Malyshenko

В работе установлена корректность конечномерной системы операторных уравнений, возникающих в результате аппроксимации системы нелинейных дифференциальных уравнений составного типа, моделирующих пространственные нестационарные течения бинарных смесей вязких сжимаемых жидкостей. Результаты, полученные в этой работе, могут быть положены в основу численного алгоритма решения упомянутой задачи механики.

Nonlinear evolutionary equations modelling compressible flows of binary mixtures are considered. Well-posedness of boundary value problems for finite dimensional approximation of these equations is proved. The results can be used for numerical simulation of such flows.

Ключевые слова: смеси вязких сжимаемых жидкостей, краевая задача, динамика смесей.

Keywords: mixture of viscous compressible fluids, boundary value problem, dynamics of mixtures.

Математическая модель бинарной смеси вязких сжимаемых жидкостей, о конечномерной аппроксимации которой идет речь в данной работе, основана на подходе, предложенном в [1] и в некотором роде является обобщением классической модели Навье -Стокса. Нелокальные результаты для многомерных уравнений смесей с учетом сжимаемости и вязкости составляющих на сегодняшний день получены только для стационарных течений [2 - 4]. Более простые модели (в приближении Стокса и квази - стационарные модели) с позиции существования решений в целом изучены в работах [5 - 7]. Исследования, проведенные в данной работе, являются необходимым этапом доказательства существования глобальных решений нестационарных уравнений смесей вязких жидкостей.

Вспомогательные предложения

В работе используются общепринятые (см., например, [8 - 10]) обозначения функциональных пространств: Ир (О) (’р (О)) - пространство функций, интегрируемых со степенью р > 1 (вместе с обобщенными производными до порядка I > 0 включительно). С1 (О) (С10(О)) - банахово пространство функций, обладающих непрерывными частными производными до порядка I > 0 включительно в О (с компактными носителями, лежащими в О). Мы не различаем обозначения пространств вектор - функций и скалярных функций.

Пусть О - ограниченная область в евклидовом пространстве Я3 точек х = (х1 , х2 ,х3) и ее граница

дО принадлежат классу С2+а, 0 < а < 1.

Рассмотрим следующую параболическую задачу:

д, (р) + йп>(ри) = вАр в QT = (0, Т) хО, (1.а)

р\=_0=р° в О , (1.Ь)

Ур- п = 0 в (0, Т) х дО , (1.с)

для искомой функции p(t, x), t e I = (0, T), x eQ, где s > 0 - заданная постоянная, p0 - заданная в Q функция, а и (t, x) - заданное векторное поле, обращающееся в нуль на границе I х dQ цилиндра QT .

Лемма 1. Предположим, что p0 е W1’" (Q), 0 <p<p0 <p<",

где p, p - постоянные и и е L" (I, W0l" (Q)) .

Тогда существует единственное решение p = Sp0 (и) задачи (1) в классе

pe L2 (I,W 2p(Q)) П C0 (I,W 1p(Q)),

51 pe L2 (I,Lp(Q)), 1 < p <" .

При этом уравнение (1.a) выполнено п. в. в QT, начальное условие (1.b) - п. в. в Q, а граничные условия (1.c) - в смысле следов п. в. в I .

Справедливы оценки t

pexp{-J||л>и||г(Q) dr} <

0

<[Sp0 (“)] (x,t) < (2)

__ t

< p exp{J| |d/VM || L" (Q) dr},

0

t e I, для почти всех x e Q.

Если IUIL- (IW 1" (Q;; < K, где K = const > 0, то

IIsp0 (^ll" 12 <

II p IIl" (I, ,w‘-2 (Q))

< c||p°|l exp j-L- (K + K2 )t[ , (3)

II »w‘’2 (Q) F [ 2s J

t e I .

II V 2S p (и)

p- ' ' "L2 (Qt )

С

С Г~ і < — y/t

p

W 1,2 ( Q )

Обратный оператор М ^ существует для всех (4) , е I и при этом справедлива оценка

• K exp 12—(k + K 2 ) t J , t є I .

II д .S 0 (и ) II 2 < С л/t II p0 II 12

11 i p0 v ' L2 (Qt ) v 11 H 11W 1,2 (Q )

• K exp j -С—(К + K2 )t \ , t є I

Sp (и,) - Sp (u2 )](t) 2

p P Wl2 (Q )

iki )l

L( Xn, Xn)

< С, (к, —,t) • 14pc

• I\и 1 и 2 ||l” (It ,W 1 •" (Q ))

IIw 1,2 (Q ) t є I .

(5)

(б)

||Mg2 (t) MgI «I hM, Xn)

< \g 2 (t) - gl (t ^10,1 .

Постоянная С в неравенствах (3) - (5) зависит от области О и не зависит от є, К, р0, и . Доказательство леммы 1 имеется в [11].

Выберем систему достаточно гладких вектор -

функций \фі}” , образующую ортонормированный базис в Ь (О), а также ортонормированный базис в №д’2(О). Рассмотрим последовательность конечномерных пространств Хп с базисом {рі } и скалярным произведением (и,Ъ) = (и, V)Х =|и ■ V сЫ, й,у є Хп.

О

Отметим, что все нормы на Хп, и, в частности , р (О) - норма к = 0,1,..., 1 < р эквивалентны

Уравнения Фаэдо-Галеркина

Для произвольно выбранного Т ' = (0, Т], ' = 1,2,

ищутся вектор - функции и('-1 е С0 (I',Хп), I' = (0,Т'),

' = 1,2 , удовлетворяющие для любой фе Хп уравнениям:

| р. (,)и (' ]ф ёх - | д 'ф ёх =

О , О (7)

= II N ' (Р, и (1), и (2)) • ф ёхё ,,

0 О

М'(р,й(1),й{2)) = Аи0) (а + Цц)уаыи) -

1=1 1=1

-ур1' - 8чрв - а'у(р1й(') 0 й(')) - (8)

-е(Ур -У)и(0 + (-1)'+1 ■ а(й(2) -м(1)).

Здесь р(,) = |^ Бр (и(,))^ (,) - решение задачи (1),

построенные в лемме 1, функции рР (х), ' = 1,2, удовлетворяют условиям леммы 1, Ц. и А., ' = 1,2 -

заданные постоянные, характеризующие вязкостные на Хп. Через Р„ = Р обозначим ортогональный про- свойства смеси, и удовлетворяющие условиям:

ектор из L (Q) в

Пусть дана функция

g є С0 (I, L1 (Q)), d,g є L1 (Qt ), ess inf g (t, x) > a, > 0 .

pn > 0, Xn + 2p11 > 0,

4 № 11 ■ M22 - (^12 + №21 ) > 0,

4(Х11 + 2M11 ) • (Х22 + 2M22 ) - (Х12 + 2№ 12 + Х21 + 2M21 ) > 0

Так как отображение w ^ | g(t)v • wdx

является огра-

а - положительная постоянная > 1 - показатели ниченным линейным функционалом на Хп, то по политропы к°мпонент°в смеси, S, е > ^ Д. >1 - па-

теореме Рисса его можно представить в виде скаляр- раметры регуляризации, д ' (х) - заданные в О век-

ного произведения (Мв(()у, >р), М&(/)-р е Хп и тем са- торные поля (физически вектор ихарактеризует

мым для всех , е I определено линейное отображе- приближенное значение вектора скорости частиц '-

той компоненты смеси, а р - приближенное значения поля плотностей ' -той компоненты).

Уравнения (7), (8) могут быть записаны в операторной форме:

ние Mg(t) : Xn ^ X,

(g (t )v;, = | g(t)v • Wdx, v, W є Xn .

Отметим следующие свойства оператора М (() [1]:

M

L( Xn, Xn)

< c(n)| g(t)dx, t є I .

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

и (i)( t) = M f1 _ ъ j Pqt + \P Ni (S p0 ( m0)),

g(t) I

))

d т

i = 1, 2 .

(9)

Лемма 2. Найдется Т' > 0 такое, что на промежутке 0 <, < Т ’ существует единственное решение

T(i)

< К,, i = I,2 .

(lO)

t(j)

\С0 (0, T'), Xn ), i = 1,2 системы (9).

К1 - некоторая положительная постоянная. Тогда

Доказательство. Отметим сначала следующие факты.

1. Предположим, что

справедливы неравенства:

р [ м, р, і?(1), і?(2))] (ґ )

< dj, i = 1,2, t є I, (ll)

1

a

i

где постоянные ё1 зависит от К1, Т, п, р и параметров задачи (7).

Рассмотрим пары [Р>,1, ^ } , [Р,2 ^ } ,

А ,1 = $0 () ) , р, 2 = Бр ()) , / = 1, 2 , где V?), V® принадлежат классу С0 (I, Хп) и удовлетворяют условиям (10). Тогда имеют место неравенства:

<

P \Ж, (, vl, v(2)) - ) (p,2,vf, vf)) j (t) L,f ||p,l(t) - p,2(tІl (q) + ІI" - ^2J)) (t:

lL(Xn,Xn)

где

H (Kl, t ) = p-2| Ip

о

ІІп/Л2

W1’2 (Q)

l+Kl (l+1 )exp j (k1 + K )t j

F (v(1), v(2))) = ■

(t)

Pq + | p жі (0 к0)), v(1), v(2))

dr

пространства C0 (Ir, Xn) в себя.

Пусть параметр о0 є (0, T) выбран из условий

exp {K3 оо } < 2 exp (K3 + K2 )о ^ < 2

2M0 [3 + 2K3 (1 + То ]о + 2dr0 < K2,

(19)

где

M0 = c(Q, n)p2 - X||p,0

і і=1 1,2

?і|12,2

(12)

записи

1=1

I = 1,2, г е I, где постоянные Ц зависит от К1,Т,п,р.

Положим для краткости

р (г) = |^ 8ро (V?(,)) (г), где V(,) принадлежат классу

С0 (I,Хп) и удовлетворяют условиям (10). Тогда справедливы оценки:

IIм рг )1

ё = ё(,р,Т,п) = ^Хё2 .

Постоянные ё1 взяты из неравенств (11), в которых роль постоянной К1 играет К3. На основании свойств (11), (13) и (14) может быть доказано, что при выполнении условий (19) отображение Р, определенное в (18), переводит шар

(у(1),у2)е С0 ( ,Хп):

вг

(2O)

Kp1 exp {Kl •1} (13)

\Mp(,) - Mp(0-\ L( X X) < c(n, Q) -J exp{Kl •t} 'H (,t) , (l4)

в себя.

Докажем теперь, что при подходящем выборе параметра т0 > 0 отображение Р является сжимающим.

Пусть элементы у1 = ((, у) 2 ^), у2 = ( у2(1), у2(2) ) принадлежат шару Вк. В силу свойств Ь), с) оператора М2(/) и неравенства (2), (6) имеют место оценки:

1

<— еЛ р

c0 - постоянная, зависящая только от области Q .

Предположим, теперь что векторные поля v(і) (t) є C0 (I, Xn) удовлетворяют условиям

||v(і) (t) - v„(i) ||^ < K2, і = 1,2 , (15)

где у*0) = M-0Р4і , і = 1,2, K2 - некоторая положительная постоянная. В силу свойств проектора P ||v«||x < p^1 -|\q\L2(Q) и тем самым

Iі7 (,)(t І L,» < K3 , K3 = c(n) (K2 +( max| fab (Q) ). (1б)

В силу леммы 1 имеет место соотношение

ess Qinf p (t) > p exp j -11 |v 0) (r)| dr1 и поэтому нера-

j 0 1,» J

венство (1б) влечет оценку ess Qinf p(t) > p exp {K3 • t} . (l7)

Рассмотрим отображение

' F' J ^S", Vі «((t)

F121 K "), v12) )(<)

k p2 ,42 V / 4

F(0) (^ (1),v(2) )(t) = M- 1

p, Л У ' \S . tr,(і) 'l1

M

-1 - M -1

S 0 K(,)) (t) S 0 K(,) ) (t)

, p"'< )^ , Ppv2 )^

(21)

L(Xn ,Xn )

(і) v(і) II

< c(n,s, K2, T) • t • • vlii) - vj ,, , l ,

2 II - ІІо,1 II 1 2 IIl” "It ,k‘-» (Q))

Из тождества:

F“’,i (v“,f<))-F®_ K«.v;!))(,) =

Pq +

M -1 - M -1

Sp S-! (t) S oK„)) , p, (v2 )^ (t)

+ \ M \-1 1 - M,

S0и,л «

(t)

(22)

■_fp^Ж, (^('■)|,v?l(1),

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

dr +

-1 I IP

S 0(-(,)) (t) 0

_ p. (v2) )j

- Жі (( (^ ^')), v?2(1), v^2(2))

dr,

(1S)

и оценок (21) получаем неравенство HF(Vl) - F(v?2 ^ C0 Kr ]Ka(t)-Ifc - ^^ІІоо (o,x:

(2З)

где

2

a(t) =—-e2Klt • G(t), G(t) =

p2

II о||2 ■ P і • d + 4 2 A- i.j + t

\V' 11о,1 1 II' 1 110,1

Я

u-v®

<E

2 1

C+p

V I 2

"L (Q)

=K2.

Пусть параметр т0 наряду с условием (19) удовлетворяет требованию сР- • ° (Т0 )< 1 •

Таким образом, решение системы уравнений (9) принадлежат шару БЁ т(г?,), гг, = (у„(1),V*2)), и поэтому выбирая в качестве радиуса К2 шара Бк т , число

Тогда а(/) <а(т0) < 1 и, следовательно, отобра- К2 > К2, мы за конечное число шагов продолжим ло-

жение Р - шара Бк т в себя является сжимающим. кальное решение уравнений (10) на произвольный ко-

Лемма 2 доказана.

нечный промежуток времени (0, T). Докажем теперь

Основной результат работы сформулируем в виде оценку (24). Пусть

следующей теоремы.

Теорема. На любом конечном промежутке 0 < ґ < Т система уравнений (9) имеет единственное

решение в классе С0 (0, Т), Хп).

Доказательство. Легко видеть, что возможность продолжения локального решения, построенного в

7(0

(t) = и® (t, x) = Я j (t)\pj (x) є C0 (, Xn) - реше-

j=1

ние уравнений (9), которые в данном случае удобнее представить в форме (7), (8), где р = $р„ (и(,)),

I = 1,2 • Для каждой базисной функции \рк (х),

лемме 2, на произвольный конечный временной ин- к = 1, . .., п, из (7), (8) после дифференцирования по t

тервал (0, Т), следует из ограниченности в простран- получаем тождества:

стве C0 (о, T), L2 (Q)) семейства решений уравнений (9). Действительно, располагая оценкой

7(0

(t )||

d (і, •и (І) )^к(x)dx = dt l=j N (pі , “(1), й(2)) • Vk (x)dx, k = 1,..., n.

L2 (Q)

< C,

(24)

получаем, что

Умножая эти уравнения соответственно на )

и суммируя по к, получаем следующее энергетическое неравенство на решениях уравнений (9):

dt Q І = 1 I 2

|£ітррм

(І)

2 +PY +^^Pi' \ dx + c0

Y - І в - І

+єІЯііРІ’іi2 +5РіРв-2)) dx +

Q ' = 1

Из (25), в частности, следуют неравенства:

I pt |и ('-11 dx < e 8 0,

V и

(і)

+ V и

)dx +

а\\и(1) - и(2>

dx < 0.

r(1)

0

W1,2 ( Q )

+ и

(2)

IIW 1,2 (Q )

)dr <

(25)

(26)

1 2

где sS0 =~Яр\

2 i=1

(І)

ы Y - і'"’ в, -1

На основании оценки (2) леммы 1 имеем:

Y 8 / 0 \Pk |

+-lpk I > dx - известная постоянная, не зависящая от номера n .

р (t) > р exp |-J c(n) ||м(} ||— 2 dr j > р exp \-c(n)y[r e50 j

Из неравенств (26), (27) вытекает оценка (24), так как | |и(к-1 | dx <eso pexp jc(n) Теорема доказана.

(27)

Ts8

k = 1,2 .

Q

Литература

1. Rajagopal, K. R. Mechanics of mixtures / K. R. Rajagopal, L. Tao. - Singapore: Word Sci., 1995.

2. Кучер, Н. А. Стационарные решения смеси вязких сжимаемых жидкостей / Н. А. Кучер, Д. А. Прокудин // Сиб. журн. индустр. математики. - 2009. - Т. 12. - № 3. - С. 52 - 65.

3. Кучер, Н. А. Корректность первой краевой задачи для уравнений смесей вязких сжимаемых жидкостей / Н. А. Кучер, Д. А. Прокудин // Вестник НГУ. - 2009. - Т. 9. - Вып. 3. - С. 33 - 53.

4. Кучер, Н. А. Стационарные решения уравнений смесей вязких сжимаемых жидкостей / Н. А. Кучер, А. Е. Мамонтов, Д. А. Прокудин // Сибирский математический журнал. - 2012. - Т. 23. - № 6. - С. 1338 - 1353.

5. Frehse, J. On a Stokes-like system for mixtures of fluids / J. Frehse, S. Goj, J. Malek // SIAM J. Math. Anal. -2005. - V. 36. - № 4. - P. 1259 - 1281.

6. Goj, S. Analysis for mixtures of fluids: Dissertation / S. Goj // Universitat Bonn. Math. Inst. - 2005. - Режим доступа: http://bib.math.uni-bonn.de/downloads/bms/BMS-375.pdf.

7. Frehse, J. On quasi - stationary models of mixtures of compressible fluids / J. Frehse, W. Weigant // Appl. Math.

- 2008. - V. 53. - № 4. - P. 319 - 345.

8. Соболев, С. Л. Избранные вопросы теории функциональных пространств и обобщенных функций / С. Л. Соболев. - М.: Наука - 1989. - 254 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Мазья, В. Г. Пространства С. Л. Соболева / В. Г. Мазья. - Л.: Из-во Ленинград. гос. ун-та, 1985. - 416 с.

10. Никольский, С. М. Приближение функций многих переменных и теоремы вложения / С. М. Никольский.

- М: Наука, 1977. - 456 с.

11. Novotny, A. Introduction to the Mathematical Theory of Compressible Flow / A. Novotny // Oxford University Press. - 2004.

Информация об авторах:

Кучер Николай Алексеевич - доктор физико-математических наук, профессор кафедры дифференциальных уравнений математического факультета КемГУ, [email protected].

Nikolay A. Kucher - Doctor of Physics and Mathematics, Professor at the Department of Differential Equations, Kemerovo State University.

Краюшкина Марина Владимировна - старший преподаватель кафедры дифференциальных уравнений математического факультета КемГУ, [email protected].

Marina V. Krayushkina - Senior Lecturer at the Department of Differential Equations, Kemerovo State University.

Малышенко Ольга Владимировна - старший преподаватель кафедры дифференциальных уравнений математического факультета КемГУ, [email protected].

Olga V. Malyshenko - Senior Lecturer at the Department of Differential Equations, Kemerovo State University.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.