该文研究超音速流越过弯曲坡面的反问题, 即我们要确定一个弯曲的坡面, 使得当超音速流越过它时产生的激波在事先给定的位置.关于超音速流越过弯曲坡面的直接问题, 读者可以参考文献[1-7].李大潜和王利彬研究了反活塞问题解的整体存在性及唯一性[8-9].在参考文献[10]中, 王利彬研究了定常等熵无旋流越过弯曲坡面的反问题, 得到了该问题解的整体存在性及唯一性.该文将研究由TSD方程刻画的超音速流越过弯曲坡面的反问题.解决此类激波控制问题的关键是我们需要确定一个弯曲的坡面, 使得当TSD超音速流越过它时产生的激波在事先给定的位置.这类反问题在航空工业领域应用广泛.
众所周知, TSD方程为[11-12]
其中$u$和$v$是流体速度的两个分量.当$u<0$时, 方程组(1.1)有两个互异的实特征根
我们首先考虑速度为$(u_0, v_0)$的超音速流越过直坡面的情形.若给定直激波$S:y=(\tan\beta_0)x$ (这里$\beta_0$满足$\beta_0<\beta_{ext}$), 我们可以确定一个通过原点的直边界$y=(\tan\theta_0)x $ $(x\geq0)$[1]和流体越过激波后的超音速解$(u, v)=(u_1, v_1)$.这里$(u, v)=(u_1, v_1)$满足如下的边界条件[12].
在直激波边界上, 由R-H条件知
和
同时, 在直坡面边界$y=(\tan\theta_0)x$上有
其中$\theta_0$不超过坡面最大角$\theta_{ext}$, $\beta_{ext}$表示坡面角为$\theta_{ext}$时的激波角[1].
接下来我们考虑超音速流越过弯曲坡面的情形.令$y=g(x)\in C^2 (x\geq0)$($g(0)=0$且$g'(0)=\tan\beta_0$)为我们事先给定的弯曲激波的位置, 当$\beta_0<\beta_{ext}$时, 我们可以确定一个弯曲坡面$y=f(x)\in C^2 (x\geq0)$($f(0)=0$且$f'(0)=\tan\theta_0$), 使得速度为$(u_0, v_0)$的超音速流越过它时产生的激波在事先给定的位置.越过激波后流体的状态可以由(1.3)-(1.4)式确定且在弯曲坡面边界上满足
在本文中, 我们将证明如下定理.
定理1.1 假设$\beta_0<\beta_{ext}$, 存在合适的小量$\epsilon>0$, 使得若$g(x)\in C^2(g(0)=0, g'(0)=\tan\beta_0)$满足
则在角状区域
中我们可以唯一地确定一个弯曲的坡面$y=f(x)\in C^2$, 使得流体越过它时产生的激波正好是$y=g(x)$.这里$f(0)=0, f'(0)=\tan\theta_0$满足
其中$K_1$和$K_2$是不依赖于$\epsilon$的正常数.
注1.1 定理1.1相应的直接问题是:给定弯曲坡面$y=f(x)\in C^2 (x\geq0)(f(0)=0, $ $f'(0)=\tan\theta_0)$, 如果$\theta_0<\theta_{ext}$, 当速度为$(u_0, v_0)$的超音速流越过它时会产生激波$y=g(x)(g(0)=0)$.我们可以通过解区域$\Omega$上方程组$(1.1)$的自由边值问题得到上述直接问题的解[1, 13], 其中在$y=f(x)$上满足边界条件$(1.6)$, 在$y=g(x)$上满足R-H条件$(1.3)$和$(1.4)$.
在$(x, y)$平面上原点邻域内, 上述自由边值问题存在唯一的局部超音速解$(u, v)=(u(x, y), $ $v(x, y))\in C^1$, 且在原点处有$(u, v)=(u_1, v_1)$且激波$y=g(x)\in C^2$的方向为[4, 13]
引入黎曼不变量[6]
方程组(1.1)可以等价为区域$\Omega$上的方程组
其中
在定理1.1的假设下, 由(1.3)-(1.4)式可知, 在$y=g(x)$上有
由(2.1)式知, 在$y=g(x)$上, $r=r(x)$和$s=s(x)$($r(0)=r_0$, $s(0)=s_0$)满足
其中$(r_0, s_0)$是方程组$(2.1)$相应于$(u_1, v_1)$的解, $K_3$和$K_4$是不依赖于$\epsilon$的正常数.为了证明定理1.1, 我们需要在区域$\Omega$上解方程组(2.2)的广义柯西问题
由(1.6), (1.12), (2.1)和(2.3)式可知
利用(2.8)-(2.11)式和$u_1>u_0$, 我们得到
上式表明无特征线从原点处进入区域$\Omega$.由(2.12)式可知, 广义柯西问题(2.7)有唯一的局部$C^1$解$(r, s)=(r(x, y), s(x, y))$[13].在本文中, 我们暂时假定在解$(r, s)=(r(x, y), s(x, y))$的任一给定的存在区间上有
其中$\delta>0$是一个合适的小量.在证明的结尾处, 我们将说明上述假设的合理性.
令
由(2.12), (1.9)和(2.13)式知, 区域$\Omega$上的广义柯西问题(2.7)可变为区域$\tilde{\Omega}=\{(\tilde{x}, \tilde{y})|\tilde{y}\geq 0, $ $ \tilde{x}\geq h(\tilde{y})\}$上的柯西问题
且$\tilde{x}\geq h(\tilde{y})\in C^2$ ($h(0)=0$)由
决定, 其中$y=f(x)$是弯曲坡面的方程.由$(u, v)$平面的激波极线我们可以得到$f'(0)=\tan\theta_0$.在文章的最后我们将整体地描述$y=f(x)$.
利用(1.7), (2.12)和(2.13)式, 我们得到
由(2.5)-(2.6)式可得
显然, 在区域$\tilde{\Omega}(\delta_0)=\{(\tilde{x}, \tilde{y})|0\leq \tilde{y}\leq\delta_0, \tilde{x}\geq h(\tilde{y}) \}$上, (2.15)式有唯一的$C^1$解$(\tilde{r}, \tilde{s})=(\tilde{r}(\tilde{x}, \tilde{y}), \tilde{s}(\tilde{x}, \tilde{y})) =(r(\tilde{x}, g(\tilde{x})-\tilde{y}), s(\tilde{x}, g(\tilde{x})-\tilde{y}))$, 其中$\delta_0>0$是一个合适的小量[13].为了得到$\tilde{\Omega}$区域上$C^1$解的整体存在性, 我们需要在任意给定的存在区域$\tilde{\Omega}(Y)=\{(\tilde{x}, \tilde{y})|0\leq \tilde{y}\leq Y, $ $ \tilde{x}\geq h(\tilde{y}) \}$上得到解$(\tilde{r}(\tilde{x}, \tilde{y}), \tilde{s}(\tilde{x}, \tilde{y}))$的$C^1$范数的一致先验估计, 其中$Y>0$.
由(2.15)和(2.21)式, 我们得到
下面我们希望得到区域$\tilde{\Omega}(Y)$上$\frac{\partial\tilde{r}}{\partial\tilde{x}}$, $\frac{\partial\tilde{r}}{\partial\tilde{y}}$, $\frac{\partial\tilde{s}}{\partial\tilde{x}}$和$\frac{\partial\tilde{s}}{\partial\tilde{y}}$的$C^0$范数的一致先验估计.因为$(2.15)$式中的方程组只依赖于$\tilde{x}$, 为此我们引入
其中$q(\tilde{r}, \tilde{s})\in C^{1}$满足
由(2.15)-(2.18)式, 我们很容易得到
由(2.20)式可知, 经过任意给定点$(\tilde{x}, \tilde{y})=(\beta, 0)(\beta\geq0)$的每条特征线在有限的时间内会与区域$\tilde{\Omega}$的边界$\tilde{x}\geq h(\tilde{y})(\tilde{y}\geq0)$相交.结合(2.12)式可知, $\tilde{\Omega}\in\{(\tilde{x}, \tilde{y})\mid\tilde{x}\geq \frac{1}{2(g'(0)-f'(0))}\tilde{y}, \tilde{y}\geq0\}$.令$\tilde{x}=\tilde{x_{1}}(\tilde{y};\beta)$为过点$(\beta, 0)$的特征线, 其斜率为$\tilde{\lambda_{1}}(\tilde{x}, \tilde{r}, \tilde{s})$且与区域$\tilde{\Omega}$的边界相交于$(\tilde{x_{1}}(\tilde{Y};\beta), \tilde{Y})$, 其中$\tilde{x}= \frac{1}{2(g'(0)-f'(0))}\tilde{y}$.由(1.7), (2.18)和(2.23)式知, 对合适的小量$\delta>0$, 我们有
于是我们得到
另一方面, 我们有
利用(2.15)式, 在$\tilde{x}=\tilde{x_{1}}(\tilde{y};\beta)$上有
由(2.26)式可知, 在$\tilde{x}=\tilde{x_{1}}(\tilde{y};\beta)$上有
于是, 由(2.24)式我们得到
注意到(2.21), (2.23)和(2.33)-(2.34)式, 我们有
其中$M_2$和$M_3$是两个不依赖于$\epsilon$的正数.我们可以选择适当小的$\epsilon>0$使得
于是, 注意到(2.22)式, 由(2.37)式我们得到
于是, 利用(2.28)和(2.39)式, 我们得到
由(1.7), (2.12), (2.21), (2.33)和(2.34)式可知, 在$\tilde{x}=\tilde{x_{1}}(\tilde{y};\beta)$上有
于是, 注意到(2.18)和(2.42)式, 我们得到
最后, 我们得到
类似地, 我们有
于是, 在区域$\tilde{\Omega}$上, 我们得到了(2.15)式的唯一整体$C^{1}$解$(\tilde{r}, \tilde{s})=(\tilde{r}(\tilde{x}, \tilde{y}), \tilde{s}(\tilde{x}, \tilde{y}))$.注意到(2.41)式, 在区域$\Omega$上, 我们得到了广义柯西问题($2.7$)的唯一整体$C^{1}$解
由(2.23)式我们很容易得到
这表明我们的假设(2.13)式是合理的.而且, 注意到(1.7)式, 由(2.44)和(2.45)式可得
在上式中, $r$和$s$是$x$和$f(x)$的函数, 于是区域$\Omega=\{(x, y)\mid x\geq 0, f(x)\leq y\leq g(x)\}$的边界$y=f(x)$可以由
得到.注意到(1.7)和(2.47)-(2.48)式, 我们可以唯一地确定$y=f(x)\in C^2$满足(1.10)和(1.11)式.进而由$(u, v)$平面的激波极线可知, $f'(0)=\tan\theta_0$.
于是, 定理1.1得证.