雙曲型偏微分方程與守恆律

氣體動力學的尤拉方程(Euler equations of gas dynamics)

/ OY-ler /

把流動的氣體剝去其微小的內摩擦與熱傳導,支配它的便是連續流體最乾淨的運動定律:守恆質量、守恆動量、守恆能量。氣體動力學的尤拉方程正是這三條守恆律——非線性雙曲系統的奠基範例,也是震波最初在物理上被理解之處。

在一個空間維度中,守恆量是密度 rho、動量 rho u 與總能量 E,系統為 rho_t + (rho u)_x = 0、(rho u)_t + (rho u^2 + p)_x = 0、E_t + (u(E + p))_x = 0,並由一條把壓力 p 與密度、能量相連的狀態方程封閉(對理想氣體,p = (gamma - 1)(E - rho u^2/2))。寫成 U_t + f(U)_x = 0,通量雅可比 f'(U) 有三個實特徵值——特徵速度 u - a、u、u + a,其中 a = sqrt(gamma p / rho) 是局部聲速。因此系統是雙曲的(在 a > 0 時嚴格雙曲)。它的三個波族美妙地各異:u +/- a 兩場是真正非線性的,攜帶震波與稀薄波(能變陡成震波的聲波),而中間的 u 場是線性退化的,攜帶一道接觸間斷——一個滑移面,其兩側密度與溫度跳變、但壓力與速度不跳。

它的重要性在於:尤拉方程是整套理論的試驗場與動機——黎曼問題、朗肯-雨貢尼奧、熵條件與消失黏性,全是為了理解氣體震波而鍛造的。它們模擬超音速飛行、爆炸、天文噴流與恆星風。而它們始終令人謙卑:多維、一般大初始資料下解的全局存在性是「開放」的,即使在一維,大資料理論也很微妙。此處的物理熵是一個真正的凸熵,這正是可容許震波的第二定律式挑選具有真實熱力學內涵的原因。

一維尤拉方程的黎曼問題就是震波管:一根管子左側為高壓氣體、右側為低壓氣體,由一片薄膜分隔,於 t = 0 衝破。其解恰有三道波——一道衝入低壓氣體的震波、其後的一道接觸間斷,以及一把往回擴張進高壓氣體的稀薄扇——這就是 u - a、u、u + a 的典型三波型樣。

三個特徵場 u - a、u、u + a 給出震波管的震波、接觸與稀薄波。

尤拉方程是那維-斯托克斯方程的無黏(零黏性)極限;缺失的黏性正是此處震波無限薄、以及需要熵條件來挑選它們的原因。把黏性加回去就得到那維-斯托克斯方程,其三維全局正則性本身就是一個著名的開放(千禧年大獎)問題。

又称
compressible Euler equationsinviscid gas-dynamics equations可壓縮尤拉方程無黏氣體動力學方程