Équations de Navier-Stokes avec la condition de Navier

Naviers-Stokes equations with Navier boundary condition

• Auteur / Autrice : Amrita Ghosh
• Direction : Cherif Amrouche, Miguel Escobedo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 15/11/2018
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Universidad del País Vasco. Facultad de ciencias
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mathématiques et de leurs applications (Pau)
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Reinhard Farwig, Marco Cannone, Antonín Novotný

Mots clés

Mots clés libres

Équation de Navier-Stokes

Conditions au bord de Navier

Coefficient de friction

Naviers-Stokes equations

Navier boundary conditions

Friction coefficient

Résumé

Le titre de ma thèse de doctorat est ''Equations de Stokes et de Navier-Stokes avec la con- dition de Navier'', où j’ai considéré l’écoulement d’un fluide newtonien visqueux, incompressible dans un domaine borné de R3. L’écoulement du fluide est décrit par les équations bien connues de Navier-Stokes, données par le système suivant ∂t − ∆u + (u • ∇)u + ∇π = 0, div u = 0 dans Ω × (0, T )u • n = 0, 2[(Du)n]τ + αuτ = 0 sur Γ × (0, T )u(0) = u0 dans Ω (0.1) dans un domaine borné Ω ⊂ R3 de frontière Γ, éventuellement non simplement connexe, de classe C1,1. La vitesse initiale u0 et le coefficient de friction α, scalaire, sont des fonctions don- nées. Les vecteurs unitaires normal extérieur et tangents à Γ sont notés n et τ respectivement et Du = 1 (∇u + ∇uT ) est le tenseur des déformations. Les fonctions u et π décrivent respective- ment les champs de vitesses et de pression du fluide dans Ω satisfaisant la condition aux limites (0.1.2).Cette condition aux limites, proposée par H. Navier en 1823, a été abondamment étudiée ces dernières années, qui pour de nombreuses raisons convient parfois mieux que la condition aux limites de Dirichlet sans glissement : elle offre plus de liberté et est susceptible de fournir une solution physiquement acceptable au moins pour certains des phénomènes paradoxaux résultant de la condition de non-glissement, comme par exemple le paradoxe de D’Alembert ou le paradoxe de non-collision.Ma thèse comporte trois parties. Dans la première, je cherche à savoir si le problème (0.1) est bien posé en théorie Lp, en particulier l’existence, l’unicité de solutions faibles, fortes dans W 1,p(Ω) et W 2,p(Ω) pour tout p ∈ (1, ∞), en considérant la régularité minimale du coefficient de friction α. Ici α est une fonction, pas simplement une constante qui reflète les diverses propriétés du fluide et/ou de la frontière, ce qui nous permet d’analyser le comportement de la solution par rapport au coefficient de frottement.Utilisant le fait que les solutions sont bornées indépendamment de α, on montre que la solution des équations de Navier-Stokes avec la condition de Navier converge fortement vers une solution des équations de Navier-Stokes avec la condition de Dirichlet, correspondant à la même donnée initiale dans l’espace d’énergie lorsque α → ∞. Des résultats similaires ont été obtenus pour le cas stationnaire.Le dernier chapitre concerne les estimations pour le problème de Robin pour le laplacien : l’opérateur elliptique de second ordre suivant, sous forme divergentielle dans un domaine bornéΩ ⊂ Rn de classe C1, avec la condition aux limites de Robin a été considéré div(A∇)u = divf + F dans Ω, ∂u+ αu = f n + g sur Γ.∂n (0.2) Les coefficients de la matrice symétrique A sont supposés appartenir à l’espace V MO(R3). Aussi α est une fonction appartenant à un certain espace Lq . En plus de prouver l’existence, l’unicité de solutions faibles et fortes, nous obtenons une borne sur u, uniforme par rapport à α pour α suffisamment large, en norme Lp. Pour plus de clarté, nous avons étudié séparément les deux cas: l’estimation intérieure et l’estimation au bord.

My PhD thesis title is ''Navier-Stokes equations with Navier boundary condition'' where I have considered the motion of an incompressible, viscous, Newtonian fluid in a bounded do- main in R3. The fluid flow is described by the well-known Navier-Stokes equations, given by thefollowing system 1 )t − L1u + (u ⋅ ∇)u + ∇n = 0, div u = 01u ⋅ n = 0, 2[(IDu)n]r + aur = 0 in Q × (0, T )on Γ × (0, T ) (0.1) 11lu(0) = u0 in Qin a bounded domain Q ⊂ R3 with boundary Γ, possibly not connected, of class C1,1. The initialvelocity u0 and the (scalar) friction coefficient a are given functions. The unit outward normal and tangent vectors on Γ are denoted by n and r respectively and IDu = 1 (∇u + ∇uT ) is the rate of strain tensor. The functions u and n describe respectively the velocity2 and the pressure of a fluid in Q satisfying the boundary condition (0.1.2).This boundary condition, first proposed by H. Navier in 1823, has been studied extensively in recent years, among many reasons due to its contrast with the no-slip Dirichlet boundary condition: it offers more freedom and are likely to provide a physically acceptable solution at least to some of the paradoxical phenomenons, resulting from the no-slip condition, for example, D’Alembert’s paradox or no-collision paradox.My PhD work consists of three parts. primarily I have discussed the Lp -theory of well-posedness of the problem (0.1), in particular existence, uniqueness of weak and strong solutions in W 1,p (Q) and W 2,p (Q) for all p ∈ (1, ∞) considering minimal regularity on the friction coefficienta. Here a is a function, not merely a constant which reflects various properties of the fluid and/or of the boundary. Moreover, I have deduced estimates showing explicitly the dependence of u on a which enables us to analyze the behavior of the solution with respect to the friction coefficient.Using this fact that the solutions are bounded with respect to a, we have shown the solution of the Navier-Stokes equations with Navier boundary condition converges strongly to a solution of the Navier-Stokes equations with Dirichlet boundary condition corresponding to the sameinitial data in the energy space as a → ∞. The similar results have also been deduced for thestationary case.The last chapter is concerned with estimates for a Laplace-Robin problem: the following second order elliptic operator in divergence form in a bounded domain Q ⊂ Rn of class C1, withthe Robin boundary condition has been considered1div(A∇)u = divf + F in Q, 11 )u + u = f ⋅ n + g on Γ. (0.2) 2The coefficient matrix A is symmetric and belongs to V MO(R3). Also a is a function belonging to some Lq -space. Apart from proving existence, uniqueness of weak and strong solutions, we obtain the bound on u, uniform in a for a sufficiently large, in the Lp -norm. We have separately studied the two cases: the interior estimate and the boundary estimate to make the main idea clear in the simple set up.