Burgersgleichung in 1D und 2D

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Dominik Brodbeck
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1 Burgersgleichung in 1D und 2D Johannes Lülff Universität Münster

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Numerik 3 Phänomenologie 4 Analytische Ergebnisse 5 Zusammenfassung

3 Herkunft der Burgersgleichung Navier-Stokes Gleichung t u + (u )u = p + ν u, u = 0 Beschreibt Dynamik eines inkompressiblen Fluids Burgersgleichung t u + (u )u = ν u Beschreibt Dynamik eines perfekt kompressiblen Fluids

4 Eulersche und Lagrangesche Betrachtungsweise Euler-Bild: Position im Raum fixiert Lagrange-Bild: Mit dem Fluid mitbewegt Lagrange-Teilchen: Virtuelles, masseloses Teilchen Substantielle Ableitung D t A = A := t A + (u ) A

5 Motivation Large scale structure des Universums Abbildung: Millenium Simulation, V. Springel 2005

6 Motivation Abbildung: Eigene Simulation

7 Motivation Oberflächenphysik Modellierung von Verkehrsdichte, Staus Numerischer testing ground

8 Numerik Zu lösende Gleichungen: 1D t u = u x u + ν xu 2 2D t u x = (u x x + u y y )u x + ν( 2 x + 2 y)u x t u y = (u x x + u y y )u y + ν( 2 x + 2 y)u y

9 Numerik u wird auf Gitter diskretisiert Zeitintegration: Explizites Runge-Kutta Verfahren Ortsableitungen: Pseudospektral-Verfahren Periodische Randbedingungen

10 Numerik Pseudospektral-Verfahren: Berechne Ableitungen im Fourierraum: F[ x u] = ik x F[u] Problem: F[u x u] = F[u] F[ x u] F O(n log n), aber a b O(n 2 )! Lösung: Führe Multiplikation im Ortsraum aus! O(n 2 )-Operation wird durch O(n log n)-operationen ersetzt! F[u x u] = F[u F 1 [ik x F[u]]]

11 Beispiele 1D

12 Beispiele 1D Energiespektrum E(k) k 2

13 Weltlinien von Lagrangeteilchen

14 Weltlinien von Lagrangeteilchen

15 Weltlinien von Lagrangeteilchen Zeitlich δ-korrelierte Kraft

16 Einfluss von Viskosität ν beeinflusst die Steilheit der Schocks

17 Beispiele 2D

18 Beispiele 2D Burgersgleichung und Navier-Stokes Gleichung unter gleichen Anfangsbedingungen

19 Beispiele 2D divergenzfreie und rotationsfreie Anfangsbedingungen

20 Beispiele 2D divergenzfreie und rotationsfreie Anfangsbedingungen

21 Hopf-Cole Transformation Vorraussetzung für Hopf-Cole Transformation: u muss Gradient eines Potentials sein In 1D immer der Fall! Mehrdimensional: u! = 0 Lösung dann in allen Dimensionen (nahezu) identisch

22 Hopf-Cole Transformation Annahme: u besitzt Potential, u = ψ Gleichung für Geschwindigkeitspotential t ψ = 1 2 ψ 2 + ν ψ Hopf-Cole Transformation [ ] 1 ϑ := exp 2ν ψ Burgersgleichung wird zur Wärmeleitungsgleichung bzw. ψ = 2ν ln ϑ t ϑ = ν ϑ

23 Hopf-Cole Transformation Lösungsstrategie Wende Fouriertrafo auf t ϑ = ν ϑ an: t F[ϑ] = F[ν ϑ] = νk 2 F[ϑ] Integrieren Inverse Fouriertrafo Zurücksubstituieren in Hopf-Cole ψ(r, t) = { [ 1 1 2ν ln (4πνt) d/2 d d r exp (ψ 0 (r ) r r 2 )]} R d 2ν 2t

24 Hopf-Cole Transformation Für verschwindende Viskosität: Potential für ν 0 ψ(r, t) = max a (ψ 0 (a, t) ) r a 2 2t Maximum wird angenommen bei r = a + tu 0 (a) r eulersche, a lagrangesche Koordinaten

25 Scherung

26 Scherung

27 Scherung

28 Scherung

29 Invarianten Nichtviskose Burgersgleichung Nach j differenzieren: bzw. mit A ij := j u i t u i + u k k u i = 0 t j u i + u k k j u i = ( k u i )( j u k ) Bewegungsgleichung des Gradiententensors A ij = A ik A kj

30 Invariantengleichung in 1D Bewegungsgleichung der Invarianten A = A 2 Zeitliche Entwicklung der Invarianten A(t) = 1 t + 1/A(0)

31 Invariantengleichung in 1D A(t) liefert Erklärung für qualitatives Verhalten! A(0) < 0: Singularität bei t = 1/A(0) Schock! A(0) > 0: Keine Singularität A flacht 1/t ab

32 Invariantengleichung in 1D

33 Invariantengleichung in 1D

34 Invariantengleichung in 1D

35 Invariantengleichungen in 2D Identifiziere als Invarianten: Invarianten in 2D A := det A ij und T := Sp A ij Aus Bewegungsgleichung des Tensors ergibt sich Bewegungsgleichung der Invarianten A = T A T = T 2 + 2A

36 Invariantengleichungen in 2D Zeitliche Entwicklung der Invarianten A(t) = T (t) = 1 t 2 + ct + c 2t + c t 2 + ct + c c = T (0) A(0), c = 1 A(0)

37 Invariantengleichungen in 2D A T

38 Invariantengleichungen in 2D Differenziere Bewegungsgleichung des Gradiententensor, nutze Cayleigh-Hamilton: A ij = 2A ik A kl A lj = 2T A ij 2AA ij Gradiententensor als gewöhnliche DGL A 2t + c ij t 2 + ct + c A ij + 2 t 2 + ct + c A ij = 0

39 Invariantengleichungen in 2D DGL wird gelöst durch Lösung der DGL 1 A ij (t) = C 1 t 2 + ct + c + C t 2 t 2 + ct + c Lösungen gelten entlang von Lagrangetrajektorien (substantielle Ableitung!) bis zum Schock Keine Schocks, falls A(0) > 0! Vgl. Analogie zu 1D, A(t) = 1 t+1/a(0) Analytische Lösung für beliebige Dimension möglich!

40 Zusammenfassung Charakteristisch für die Burgersgleichung: Entstehung von Schockfronten Geschwindigkeit besitzt Potential Gleichung exakt lösbar! Qualitatives Verhalten durch Invarianten ableitbar

41 Literatur Burgulence, U. Frisch, J.Bec, arxiv:nlin/ Burgers Turbulence, J. Bec, K. Kahnin, arxiv:

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