Une approche de Lagrangien augmenté pour les équations du type Euler-Korteweg

An augmented lagrangian approach for Euler-Korteweg type equations

• Auteur / Autrice : Firas Dhaouadi
• Direction : Jean-Paul Vila, Nicolas Favrie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Toulouse (2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations dispersives non linéaires

Équations différentielles hyperboliques

Lagrange, Équations de

Mots clés libres

Lagrangien augmenté

Équations d'Euler-Korteweg

Équations hyperboliques

Équations dispersives

Schémas IMEX

Schémas de Godunov

Augmented Lagrangian

Euler-Korteweg equations

Hyperbolic equations

Dispersive equations

IMEX schemes

Godunov schemes

Résumé

On présente un modèle hyperbolique quasi-linéaire de premier ordre approximant les équations d'Euler-Korteweg (E-K), qui décrivent des écoulements de fluides compressibles dont l'énergie dépend du gradient de la densité. Le système E-K peut être vu comme les équations d'Euler-Lagrange d'un Lagrangien soumis à la conservation de la masse. Vu la présence du gradient de la densité dans le Lagrangien, des dérivées d'ordre élevé de la densité apparaissent dans les équations du mouvement. L'approche présentée ici permet d'obtenir un système d'équations hyperboliques qui approxime le système E-K. L'idée est d'introduire un nouveau paramètre d'ordre qui approxime la densité via une méthode de pénalisation classique. Le gradient de cette nouvelle variable remplace alors le gradient de la densité dans le Lagrangien, ce qui permet de construire le Lagrangien augmenté. Les équations d'Euler-Lagrange associées à celui-ci, sont des équations hyperboliques avec des termes sources raides et des vitesses de caractéristiques rapides. Ce système est analysé puis résolu numériquement en utilisant des schémas de type IMEX. En particulier, cette approche a été appliquée à l'équation de Schrödinger non-linéaire défocalisante (qui peut être réduite au système E-K via la transformée de Madelung), pour laquelle des comparaisons avec des solutions exactes et asymptotiques ont été faites, notamment pour des solitons gris et des ondes de choc dispersives. La même approche a été également appliquée aux équations de filmes minces avec capillarité, pour lesquelles une comparaison avec des résultats numériques de référence et des résultats expérimentaux a été faite. Il a été démontré que le modèle augmenté peut aussi bien s'appliquer pour des modèles dont le terme de capillarité est non-linéaire. Dans ce même cadre, une étude de gouttes stationnaires sur un substrat solide horizontal a été établie afin de classifier les profils possibles de gouttes selon leur énergie. Ceci a permis également de faire des comparaisons du modèle augmenté sur des solutions stationnaires. Enfin, une partie indépendante de ce travail est consacrée à l'étude des équations équivalentes associées aux schémas numériques, où l'on démontre que les conditions de stabilité qui dérivent d'une troncature de l'équation équivalente, n'a du sens que si la série correspondante dans l'espace de Fourier est convergente, sur les longueurs d'onde admissibles dans la pratique.

An approximate first order quasilinear hyperbolic model for Euler-Korteweg (E-K) equations, describing compressible fluid flows whose energy depend on the gradient of density, is derived. E-K system can be seen as the Euler-Lagrange equations to a Lagrangian submitted to the mass conservation constraint. Due to the presence of the density gradient in the Lagrangian, one recovers high-order derivatives of density in the motion equations. The approach presented here permits us to obtain a system of hyperbolic equations that approximate E-K system. The idea is to introduce a new order parameter which approximates the density via a carefully chosen penalty method. The gradient of this new independent variable will then replace the original gradient of density in the Lagrangian, resulting in the so-called augmented Lagrangian. The Euler-Lagrange equations of the augmented Lagrangian result in a first order hyperbolic system with stiff source terms and fast characteristic speeds. Such a system is then analyzed and solved numerically by using IMEX schemes. In particular, this approach was applied to the defocusing nonlinear Schrödinger equation (which can be reduced to the E-K equations via the Madelung transform), for which a comparison with exact and asymptotic solutions, namely gray solitons and dispersive shock waves was performed. Then, the same approach was extended to thin film flows with capillarity, for which comparison of the numerical results with both reference numerical solutions and experimental results was performed. It was shown that the augmented model is also extendable to models with full nonlinear surface tension. In the same setting, a study of stationary droplets on a horizontal solid substrate was conducted in an attempt to classify droplet profiles depending on their energy forms. This also allowed to compare the augmented Lagrangian approach in the case of stationary solutions, and which showed excellent agreement with the reference solutions. Lastly, an independent part of this work is devoted to the study of modified equations associated to numerical schemes for stability purposes. It is shown that for a linear scheme, stability conditions which are obtained from a truncation of the associated modified equation, are only relevant if the corresponding series in Fourier space is convergent for the admissible wavenumbers.