非等熵Chaplygin气体测度值解存在性
The Existence of the Measure Solution for the Non-Isentropic Chaplygin Gas
通讯作者:
收稿日期: 2020-01-2
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Received: 2020-01-2
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作者简介 About authors
陈雨风,E-mail:
王振,E-mail:
该文研究了一维非等熵Chaplygin气体动力学方程组的黎曼问题.考虑压力和内能均满足一般表示的情况下,利用特征分析的方法,分析经典弱解存在的充要条件.由于该弱解密度会出现集中的现象,因此会产生δ波.该文在Radon测度值解意义下,推导广义Rankine-Hugoniot条件,结合经典熵条件,构造一般黎曼问题的测度值解.该结果是等熵Chaplygin气体弱解存在性的推广.
关键词:
In this paper, we consider the Riemann problem of one-dimensional non-isentropic Chaplygin gas dynamics. In the case that the pressure and internal energy are general, we construct the classical solution by the characteristic analysis under a sufficient and necessary condition on the Riemann data. As the density ρ concentrates, the δ shock waves exist. According to the theory of Radon measure, the general Rankine-Hugoniot is induced. Combining with entropy condition, we obtain the measure solution for this problem. This extends the result for the isentropic Chaplygin gas.
Keywords:
本文引用格式
陈雨风, 陈停停, 王振.
Chen Yufeng, Chen Tingting, Wang Zhen.
1 引言
一维非等熵欧拉方程组可描述为
其中
计算可得
即,存在熵
其中
这类气体方程由Chaplygin和Tsien分别在文献[2]和[3]中引入,用于计算在空气动力学中飞机机翼的升力的数学近似.关于Chaplygin气体更多的物理背景,可以参考文献[1, 4-5].在数学上, Chaplygin气体是一类典型的线性退化模型,在经典的弱解意义下非全局可解. 2005年, Brenier首先分析给出等熵Chaplygin气体黎曼问题的
本文考虑方程组(1.1)的黎曼问题,黎曼初值如下
利用特征分析的方法,构造出经典黎曼问题的解.但是,在一般弱解意义下,初始的取值范围限制了弱解的存在性.该文通过Radon测度重新定义弱解[15],推导了广义Rankine-Hugoniot条件,并构造了经典熵条件下的
2 经典Riemann问题弱解的存在性
本节我们利用特征分析的方法,计算非等熵Chaplygin气体的基本波,并构造经典黎曼问题的弱解.在光滑解意义下,当
则系数矩阵的三个特征值分别
相应的右特征向量为
由
由于该模型具有尺度不变性,我们首先考虑自相似解
对于光滑解,方程(2.4)可以表示为
于是,后向稀疏波满足
前向稀疏波满足
接下来我们将考虑该模型的有界间断解.设间断线为
这里“
其中,交换下标
后向激波满足
前向激波满足
综合上述分析, Riemann问题(1.7)的解可构造如下
其中
易见,若使得密度
因此,我们有如下结论.
引理2.1 方程组(1.1), (1.2), (1.6)的经典黎曼问题弱解满足(2.13)–(2.14)式的充要条件为初始条件(1.7)满足条件(2.15).
注2.1 上述引理表明,当初值不满足条件(2.15)时,该方程的经典黎曼问题无解.特别地,当初始条件满足
则有
3 含$ \delta $ 波的测度值解
本节将利用测度值解的定义,推导广义Rankine-Hugoniot条件,结合熵条件,证明一般Riemann问题的弱解存在性.为了证明的需要,我们首先引入测度论的一些基本概念.假设
其中
定义3.1 对于Lipschitz曲线
下面我们将给出一般Riemann问题的Radon测度值解的定义.
定义3.2 令
i)对任意的
ii)
其中
iii)间断处熵条件成立.
基于上述定义,我们可以得到如下结论.
定理3.1 方程组(1.1), (1.2), (1.6)的一般
证 令
根据(3.3)式中的第一个式子,有
由
同理,根据(3.3)式中的第二式和第三式,分别得到
由于初始间断处满足
又由(3.5)式知
继续对上式积分,可得
即,有
i)若
ii)若
另外,由熵条件
知
i)当
显然
ii)当
可知
若
由(3.10)式,计算可得
定理3.1证毕.
注3.1 经典弱解亦可由(3.5)式构造.
注3.2 满足(3.20)式的初始集合非空,例如
于是
注3.3 当状态方程(1.2)和(1.6)满足
注3.4 如果第一特征与第二特征重叠或者第二与第三特征重叠的情形,在经典的熵条件下,其
参考文献
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