雙曲型偏微分方程與守恆律

朗肯-雨貢尼奧條件(Rankine-Hugoniot condition)

/ RANG-kin OO-go-nyoh /

一旦震波形成,解就在一條移動的波前上由一個值跳到另一個值。一個自然的問題是:那波前移動得多快?你無法從微分方程讀出它,因為方程在跳變處已不再成立。朗肯-雨貢尼奧條件就是回答這問題的法則——它把震波的速度與其兩側的高度及通量綁在一起。

它直接來自守恆。給出 u_t + f(u)_x = 0 的同一筆帳,在跳變處仍須以積分形式成立(質量即使在不連續處也守恆)。追蹤移動波前所掃過的守恆量:一道以速度 s 移動、左側狀態為 u_L、右側為 u_R 的震波,必須滿足 s (u_R - u_L) = f(u_R) - f(u_L)。換言之,速度乘以密度的跳量,等於通量的跳量。以 [u] = u_R - u_L 記跳量,這就是好記的形式 s [u] = [f]。對伯格斯方程,f(u) = u^2/2,故 s = (u_L + u_R)/2——震波以它所分隔的兩個高度的平均值移動。對系統而言,同樣的條件寫成 s (U_R - U_L) = f(U_R) - f(U_L),是跳量與速度須共同滿足的一組方程。

它的重要性在於:朗肯-雨貢尼奧條件正是使一個不連續函數成為合法弱解的條件——它恰好是積分守恆律在跳變處成立的條件。但它只說了一半的故事。許多不同的跳變都能滿足它(一個間斷與它的時間逆轉服從同一套代數),因此單憑朗肯-雨貢尼奧條件「並不」挑出唯一的物理解。那項挑選工作屬於熵條件。

伯格斯方程,左側 u_L = 2、右側 u_R = 0:跳量為 u_R - u_L = -2,通量跳量為 f(u_R) - f(u_L) = 0 - 2 = -2,故震波速度為 s = (-2)/(-2) = 1——等價於平均值 (2 + 0)/2 = 1。間斷以速度 1 向右行進,分隔開值 2 與值 0。

速度乘以密度跳量等於通量跳量:s [u] = [f]。

朗肯-雨貢尼奧條件是必要卻不充分的:它容許非物理的「稀薄震波」,那會使時間倒退。一個滿足 R-H 的間斷,唯有在「同時」滿足熵條件時才是可容許的震波;否則正確的解是光滑的稀薄波,而非跳變。

又称
Rankine-Hugoniot jump conditionshock speed conditionjump condition朗肯-雨貢尼奧跳躍條件震波速度條件跳躍條件