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Numerical Methods for Differential Eqns

Stokes Problems

  • Stokes equation
    • \( u : \Omega \rightarrow \mathbb{R}^d \) (We focus on 2D problems)
    • \( u(x,y) = \begin{pmatrix} u_x \\ u_y \end{pmatrix} \)
    • \(\nabla u = \begin{pmatrix} \frac{\partial u_x}{\partial x} & \frac{\partial u_x}{\partial y} \\ \frac{\partial u_y}{\partial x} & \frac{\partial u_y}{\partial y} \end{pmatrix}\)
    • \(\text{div} \, u = \frac{\partial u_x}{\partial x} + \frac{\partial u_y}{\partial y} = \text{tr}(\nabla u)\)
    • \(A : B = \sum_{i,j=1}^{d} a_{ij} b_{ij} = a_{11} b_{11} + a_{12} b_{12} + b_{21} a_{21} + a_{22} b_{22}\)
    • \(\text{div} \, u = \text{tr} (\nabla u) = \nabla \cdot u = f\)
    • \(I = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\)
  • Stokes System
    • \(\text{div} \, \sigma(u,p) + g = 0\) (Conservation of momentum)
    • We focus on fluids, Incompressible Newtonian fluids
      • \(\sigma = 2\mu \mathcal{E}(u) - pI\)
      • \(\text{div} \, \sigma = \text{div}(2\mu \mathcal{E}(u) + pI) = 0\)
      • \(\text{div} \, u = 0 \rightarrow \nabla \cdot u = 0\)
    • We'll study a simplified problem: -div (σ(u) - pI) + f = g
      • Strong form:
        • \(-\Delta u + \nabla p = f \quad \text{in } \Omega \)
        • \(\text{div} \, u = 0 \quad \text{in } \Omega\)
        • \(u = 0 \quad \text{on } \partial \Omega\)
  • Weak Formulation
    • \(\int_{\Omega} \nabla u : \nabla v - p \text{div} \, v + f v \, dx = 0 \quad \forall v \in H^1_0(\Omega)\)
    • \(\int_{\Omega} \text{div} \, q \, dx = 0 \quad \forall q \in L^2(\Omega)\)
  • Introducing notation: \(V = H^1_0(\Omega, \mathbb{R}^d), \, Q = L^2_0(\Omega)\)

2: ∀v x Vα → ℝ; u,v → a(u,v) = ∫Ω ∇u : ∇v dx

b: V x Q → ℝ ; u,p → b(u,p) = - ∫Ω div u p dx

Can rewrite the problem as: find (u,p) ∈ V x Q such that

  • a(u,v) + b(v,p) = F(u) ∀v ∈ V
  • + b(v,q) = 0 ∀q ∈ Q

F: x ∈ V → F(x) = ∫Ω f x dx

|F(x)| ≤ ∫Ω |f x| dx ≤ ||f||L2(Ω) ||x||L2(Ω) ≤ ||f||L2(Ω) ||x||V, ∀x ∈ V

|F(x)| is bounded, so it is a continuous functional

a(u,v) := ∫Ω ∇u : ∇v dx

Continuity: |a(u,v)| ≤ ||u||V ||v||V

Coercivity: a(u,v) ≥ α ||u||2, α>0

b(u,q) := -∫Ω div u q dx

|b(u,q)| = |∫Ω div u q dx| ≤ ∫Ω |div u q| dx ≤ ||div u||L2(Ω) ||q||L2(Ω)

Ω |∂uk/∂x + ∂ux/∂y| dx = ∫Ω | ∂uk/∂x | + | ∂uy/∂y | + 2 ∂ux ∂uy / x q dy

≤ || ∂ux

|| div u ||2L2(Ω) ≤ ||u||2L2(Ω)

|b(u,q)| ≤ 2 ||div u|| ||q|| bounded

b(u,q) is continuous

Stability

  • u=x, p=q
  • a(u,q) + b(u,p) = F(u)
  • b(u,p)=0

⇒ a(u,q) = F(u)

α ||u||2 ≤ a(u,q) = F(u) ≤ ||f||L2 ||u||L2(Ω)

⇒ ||u||/√α ≤ ||f||L2(Ω) ⇒ y bounded

Stability of P?

INF – SUP condition

Property:

sup b(x,q) / ||x||V ≥ β ||q||L ∀q ∈ Q

Dettagli
Publisher
A.A. 2017-2018
7 pagine
SSD Scienze matematiche e informatiche MAT/08 Analisi numerica

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher gm_95 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Numerical Modeling of Differential Problem e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Miglio Edie.