什么时候可以安全地忽略对流-扩散方程中的扩散项?

计算科学 pde 双曲-pde 平流扩散 平流 奇异扰动
2021-12-10 17:26:33

给定一维方程:

ϵ2ux2+ux=0

0ϵ1有边界条件u(0)=0u(1)=2,由于边界条件,我们不能忽略扩散项。在哪些情况下(非常小的ϵ我们能?这背后的数学理论是什么?

此外,如果我们有一个与时间相关的方程:

ut=ϵ2ux2+ux

情况将如何变化?如果对流项是非线性的,例如在 Burgers 方程中呢?我无法找到有关此主题的参考资料,我将不胜感激。

3个回答

您显示的平稳方程通过平流项从右向左传输信息;它也略微扩散。如果你完全关闭扩散项,那么你只有从右到左的传输,你还需要去掉左边的边界条件:因为信息是从右到左的,左边什么都不会发生域的结尾对解决方案有任何影响。

可以对时间相关方程进行类似的论证。

一般来说,这些方程是“奇异扰动问题”的例子。您将能够找到很多关于该主题的文献。

在与时间相关的非线性情况下,如果您去掉扩散项,那么您就会遇到非线性双曲线问题。解决方案自然会在有限时间内产生奇点(不连续性)。要将解决方案扩展到该时间之外,必须考虑弱解决方案,并且丢失了唯一性。为了指定一个唯一的、物理相关的解,通常会调用一个熵条件,这相当于强制弱解是扩散方程的“粘度消失极限”。

该领域的典型参考文献是 Whitham。我偏爱 LeVeque 的两篇文章,尽管它们更关注数字而非理论。

除了 AJK 的建议,这里还有一些建议:

  1. Milton Van Dyke 流体力学中的微扰方法
  2. MH Holmes 的微扰方法介绍,(2013 年)。

我推荐第二个开始研究扰动方法。读完第二篇的前2-3章后可以阅读第一篇。

要回答您关于何时可以忽略扩散项(在第一个等式中)的问题,可以在以下情况下忽略它u(0)u(1). 在这种情况下,u(x)将或多或少保持不变。这当然可以量化。在你的情况下u(0)=0u(1)=2,扩散项不容忽视。附近有边界层x=0. 请参阅下面的精确解决方案图ϵ=0.01

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