Lagrangian approximations and weak solutions of the Navier-Stokes equations

The motion of a viscous incompressible fluid flow in bounded domains with a smooth boundary can be described by the nonlinear Navier-Stokes equations. This description corresponds to the so-called Eulerian approach. We develop a new approximation method for the Navier-Stokes equations in both the stationary and the non-stationary case by a suitable coupling of the Eulerian and the Lagrangian representation of the flow, where the latter is defined by the trajectories of the particles of the fluid. The method leads to a sequence of uniquely determined approximate solutions with a high degree of regularity containing a convergent subsequence with limit function v such that v is a weak solution of the Navier-Stokes equations.

Semigrupos de operadores lineares limitados: soluções Mild e Weak

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Analysis and numerical solution of the Peterlin viscoelastic model

Liquids and gasses form a vital part of nature. Many of these are complex fluids with non-Newtonian behaviour. We introduce a mathematical model describing the unsteady motion of an incompressible polymeric fluid. Each polymer molecule is treated as two beads connected by a spring. For the nonlinear spring force it is not possible to obtain a closed system of equations, unless we approximate the force law. The Peterlin approximation replaces the length of the spring by the length of the average spring. Consequently, the macroscopic dumbbell-based model for dilute polymer solutions is obtained. The model consists of the conservation of mass and momentum and time evolution of the symmetric positive definite conformation tensor, where the diffusive effects are taken into account. In two space dimensions we prove global in time existence of weak solutions. Assuming more regular data we show higher regularity and consequently uniqueness of the weak solution. For the Oseen-type Peterlin model we propose a linear pressure-stabilized characteristics finite element scheme. We derive the corresponding error estimates and we prove, for linear finite elements, the optimal first order accuracy. Theoretical error of the pressure-stabilized characteristic finite element scheme is confirmed by a series of numerical experiments.

Partial regularity of weak solutions of the liquid crystal equilibrium system

For a parameter, we consider the modified relaxed energy of the liquid crystal system. Each minimizer of the modified relaxed energy is a weak solution to the liquid crystal equilibrium system. We prove the partial regularity of minimizers of the modified relaxed energy. We also prove the existence of infinitely many weak solutions for the special boundary value x.

Conservation law with the flux function discontinuous in the space variable- II - Convex-concave type fluxes and generalized entropy solutions

We deal with a single conservation law with discontinuous convex-concave type fluxes which arise while considering sign changing flux coefficients. The main difficulty is that a weak solution may not exist as the Rankine-Hugoniot condition at the interface may not be satisfied for certain choice of the initial data. We develop the concept of generalized entropy solutions for such equations by replacing the Rankine-Hugoniot condition by a generalized Rankine-Hugoniot condition. The uniqueness of solutions is shown by proving that the generalized entropy solutions form a contractive semi-group in L-1. Existence follows by showing that a Godunov type finite difference scheme converges to the generalized entropy solution. The scheme is based on solutions of the associated Riemann problem and is neither consistent nor conservative. The analysis developed here enables to treat the cases of fluxes having at most one extrema in the domain of definition completely. Numerical results reporting the performance of the scheme are presented. (C) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Directional Diffusion Regulator (DDR) for some numerical solvers of hyperbolic conservation laws

A computational tool called ``Directional Diffusion Regulator (DDR)'' is proposed to bring forth real multidimensional physics into the upwind discretization in some numerical schemes of hyperbolic conservation laws. The direction based regulator when used with dimension splitting solvers, is set to moderate the excess multidimensional diffusion and hence cause genuine multidimensional upwinding like effect. The basic idea of this regulator driven method is to retain a full upwind scheme across local discontinuities, with the upwind bias decreasing smoothly to a minimum in the farthest direction. The discontinuous solutions are quantified as gradients and the regulator parameter across a typical finite volume interface or a finite difference interpolation point is formulated based on fractional local maximum gradient in any of the weak solution flow variables (say density, pressure, temperature, Mach number or even wave velocity etc.). DDR is applied to both the non-convective as well as whole unsplit dissipative flux terms of some numerical schemes, mainly of Local Lax-Friedrichs, to solve some benchmark problems describing inviscid compressible flow, shallow water dynamics and magneto-hydrodynamics. The first order solutions consistently improved depending on the extent of grid non-alignment to discontinuities, with the major influence due to regulation of non-convective diffusion. The application is also experimented on schemes such as Roe, Jameson-Schmidt-Turkel and some second order accurate methods. The consistent improvement in accuracy either at moderate or marked levels, for a variety of problems and with increasing grid size, reasonably indicate a scope for DDR as a regular tool to impart genuine multidimensional upwinding effect in a simpler framework. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Existence results for elliptic equations with singular terms

Esta dissertação estuda em detalhe três problemas elípticos: (I) uma classe de equações que envolve o operador Laplaciano, um termo singular e nãolinearidade com o exponente crítico de Sobolev, (II) uma classe de equações com singularidade dupla, o expoente crítico de Hardy-Sobolev e um termo côncavo e (III) uma classe de equações em forma divergente, que envolve um termo singular, um operador do tipo Leray-Lions, e uma função definida nos espaços de Lorentz. As não-linearidades consideradas nos problemas (I) e (II), apresentam dificuldades adicionais, tais como uma singularidade forte no ponto zero (de modo que um "blow-up" pode ocorrer) e a falta de compacidade, devido à presença do exponente crítico de Sobolev (problema (I)) e Hardy-Sobolev (problema (II)). Pela singularidade existente no problema (III), a definição padrão de solução fraca pode não fazer sentido, por isso, é introduzida uma noção especial de solução fraca em subconjuntos abertos do domínio. Métodos variacionais e técnicas da Teoria de Pontos Críticos são usados para provar a existência de soluções nos dois primeiros problemas. No problema (I), são usadas uma combinação adequada de técnicas de Nehari, o princípio variacional de Ekeland, métodos de minimax, um argumento de translação e estimativas integrais do nível de energia. Neste caso, demonstramos a existência de (pelo menos) quatro soluções não triviais onde pelo menos uma delas muda de sinal. No problema (II), usando o método de concentração de compacidade e o teorema de passagem de montanha, demostramos a existência de pelo menos duas soluções positivas e pelo menos um par de soluções com mudança de sinal. A abordagem do problema (III) combina um resultado de surjectividade para operadores monótonos, coercivos e radialmente contínuos com propriedades especiais do operador de tipo Leray- Lions. Demonstramos assim a existência de pelo menos, uma solução no espaço de Lorentz e obtemos uma estimativa para esta solução.

A semigroups theory approach to a model of suspension bridges

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Tópicos de equações diferenciais parciais elípticas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Um modelo matemático de suspensão de pontes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Die Faktorisierungsmethode für die elektrische Impedanztomographie im Halbraum

In der vorliegenden Arbeit wird die Faktorisierungsmethode zur Erkennung von Inhomogenitäten der Leitfähigkeit in der elektrischen Impedanztomographie auf unbeschränkten Gebieten - speziell der Halbebene bzw. dem Halbraum - untersucht. Als Lösungsräume für das direkte Problem, d.h. die Bestimmung des elektrischen Potentials zu vorgegebener Leitfähigkeit und zu vorgegebenem Randstrom, führen wir gewichtete Sobolev-Räume ein. In diesen wird die Existenz von schwachen Lösungen des direkten Problems gezeigt und die Gültigkeit einer Integraldarstellung für die Lösung der Laplace-Gleichung, die man bei homogener Leitfähigkeit erhält, bewiesen. Mittels der Faktorisierungsmethode geben wir eine explizite Charakterisierung von Einschlüssen an, die gegenüber dem Hintergrund eine sprunghaft erhöhte oder erniedrigte Leitfähigkeit haben. Damit ist zugleich für diese Klasse von Leitfähigkeiten die eindeutige Rekonstruierbarkeit der Einschlüsse bei Kenntnis der lokalen Neumann-Dirichlet-Abbildung gezeigt. Die mittels der Faktorisierungsmethode erhaltene Charakterisierung der Einschlüsse haben wir in ein numerisches Verfahren umgesetzt und sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Fall mit simulierten, teilweise gestörten Daten getestet. Im Gegensatz zu anderen bekannten Rekonstruktionsverfahren benötigt das hier vorgestellte keine Vorabinformation über Anzahl und Form der Einschlüsse und hat als nicht-iteratives Verfahren einen vergleichsweise geringen Rechenaufwand.

Keller-Segel system, chemotaxis and applications to a mathematical model for Alzheimer's disease

In questa tesi viene presentato il modello di Keller-Segel per la chemiotassi, un sistema di tipo parabolico-ellittico che appare nella descrizione di molti fenomeni in ambito biologico e medico. Viene mostrata l'esistenza globale della soluzione debole del modello, per dati iniziali sufficientemente piccoli in dimensione N>2. La scelta di dati iniziali abbastanza grandi invece può causare il blow-up della soluzione e viene mostrato sotto quali condizioni questo si verifica. Infine il modello della chemiotassi è stato applicato per descrivere una fase della malattia di Alzheimer ed è stata effettuata un'analisi di stabilità del sistema.

Mathematical analysis of a model of chemotaxis arising from morphogenesis

We consider non-negative solution of a chemotaxis system with non constant chemotaxis sensitivity function X. This system appears as a limit case of a model formorphogenesis proposed by Bollenbach et al. (Phys. Rev. E. 75, 2007).Under suitable boundary conditions, modeling the presence of a morphogen source at x=0, we prove the existence of a global and bounded weak solution using an approximation by problems where diffusion is introduced in the ordinary differential equation. Moreover,we prove the convergence of the solution to the unique steady state provided that ? is small and ? is large enough. Numerical simulations both illustrate these results and give rise to further conjectures on the solution behavior that go beyond the rigorously proved statements.

Equações de quarta ordem na modelagem de oscilações de pontes

Equações diferenciais de quarta ordem aparecem naturalmente na modelagem de oscilações de estruturas elásticas, como aquelas observadas em pontes pênseis. São considerados dois modelos que descrevem as oscilações no tabuleiro de uma ponte. No modelo unidimensional estudamos blow up em espaço finito de soluções de uma classe de equações diferenciais de quarta ordem. Os resultados apresentados solucionam uma conjectura apresentada em [F. Gazzola and R. Pavani. Wide oscillation finite time blow up for solutions to nonlinear fourth order differential equations. Arch. Ration. Mech. Anal., 207(2):717752, 2013] e implicam a não existência de ondas viajantes com baixa velocidade de propagação em uma viga. No modelo bidimensional analisamos uma equação não local para uma placa longa e fina, suportada nas extremidades menores, livre nas demais e sujeita a protensão. Provamos existência e unicidade de solução fraca e estudamos o seu comportamento assintótico sob amortecimento viscoso. Estudamos ainda a estabilidade de modos simples de oscilação, os quais são classificados como longitudinais ou torcionais.

Ornstein-Uhlenbeck operator in convex domains of Banach spaces

Studiamo l'operatore di Ornstein-Uhlenbeck e il semigruppo di Ornstein-Uhlenbeck in un sottoinsieme aperto convesso $\Omega$ di uno spazio di Banach separabile $X$ dotato di una misura Gaussiana centrata non degnere $\gamma$. In particolare dimostriamo la disuguaglianza di Sobolev logaritmica e la disuguaglianza di Poincaré, e grazie a queste disuguaglianze deduciamo le proprietà spettrali dell'operatore di Ornstein-Uhlenbeck. Inoltre studiamo l'equazione ellittica $\lambdau+L^{\Omega}u=f$ in $\Omega$, dove $L^\Omega$ è l'operatore di Ornstein-Uhlenbeck. Dimostriamo che per $\lambda>0$ e $f\in L^2(\Omega,\gamma)$ la soluzione debole $u$ appartiene allo spazio di Sobolev $W^{2,2}(\Omega,\gamma)$. Inoltre dimostriamo che $u$ soddisfa la condizione di Neumann nel senso di tracce al bordo di $\Omega$. Questo viene fatto finita approssimazione dimensionale.