HAL Id: hal-00922770
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Submitted on 30 Dec 2013
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Coupling strategies for compressible - low Mach number
flows
Yohan Penel, Stéphane Dellacherie, Bruno Després
To cite this version:
Yohan Penel, Stéphane Dellacherie, Bruno Després. Coupling strategies for compressible - low Mach number flows. Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, World Scientific Publishing, 2015, 25 (6), pp.1045. �10.1142/S021820251550027X�. �hal-00922770�
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■♥ t❤❡ s❡q✉❡❧✱ Ω ⊂ Rd✱ d ∈ {1, 2, 3}✱ ✇✐❧❧ ❞❡♥♦t❡ t❤❡ ♣❤②s✐❝❛❧ ❞♦♠❛✐♥ ✇❤✐❝❤ ✇✐❧❧ ❜❡ ❞✐✈✐❞❡❞ ✐♥t♦ t✇♦ ♣❛rts ❞❡♣❡♥❞✐♥❣ ♦♥ t❤❡ ♦r❞❡r ♦❢ ♠❛❣♥✐t✉❞❡ ♦❢ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r✳ ❍♦✇❡✈❡r✱ ✐♥ ♦r❞❡r t♦ ✐♥✈❡st✐❣❛t❡ ❡❛❝❤ ♠♦❞❡❧ ✐♥❞❡♣❡♥❞❡♥t❧②✱ ✇❡ ✐♥tr♦❞✉❝❡ ❛ ❣❡♥❡r❛❧ ❜♦✉♥❞❡❞ ❞♦♠❛✐♥ ̟ ⊂ Rd✳ ✷✳✶ ❇❛s✐❝ ❡q✉❛t✐♦♥s ❚♦ ❞❡s❝r✐❜❡ t❤❡ ♠♦t✐♦♥ ♦❢ t❤❡ ✉♥❞❡r❧②✐♥❣ ✢✉✐❞✱ ✇❡ ♣r❡s❡♥t t✇♦ ♠♦❞❡❧s s❡t ✐♥ ̟✳ ❚❤❡ ✜rst ♠♦❞❡❧ ❝♦♥s✐sts ♦❢ t❤❡ st❛♥❞❛r❞ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ✇✐t❤ ❛♥ ❡♥❡r❣② s♦✉r❝❡ t❡r♠ ∂tW+ ∇ · F(W) = Φ, ✭✷✳✶❛✮ ✇✐t❤ W= ρ ρu ρE , F(W) = ρu ρu ⊗ u + pId (ρE + p)u , Φ= 0 0 Φ . ✭✷✳✶❜✮ ❚❤❡ s♦✉r❝❡ t❡r♠ ❡♥❛❜❧❡s ❜♦t❤ t♦ ❡♥r✐❝❤ t❤❡ ♠♦❞❡❧❧✐♥❣ ✭s❡❡ ❜❡❧♦✇✮ ❛♥❞ t♦ ♣r♦✈✐❞❡ ♥♦♥tr✐✈✐❛❧ st❡❛❞② st❛t❡s✳ ❚❤❡ ❡q✉❛t✐♦♥ ♦❢ st❛t❡ ✉s❡❞ t♦ ♠♦❞❡❧ t❤❡ ✢✉✐❞ ♣r♦♣❡rt✐❡s ❛♥❞ t♦ ❝❧♦s❡ t❤❡ s②st❡♠ ✐s t❤❡ ✐❞❡❛❧ ✢✉✐❞ ❧❛✇✿✷ E = (Υ − 1)p ρ + 1 2|u| 2, Υ > 1. ❚❤❡ s❡❝♦♥❞ ♠♦❞❡❧ ✐s ❞❡r✐✈❡❞ ❢r♦♠ t❤❡ ♣r❡✈✐♦✉s ♦♥❡ ✭✷✳✶✮ ✉♥❞❡r t❤❡ ❤②♣♦t❤❡s✐s t❤❛t t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ✐s ✏s♠❛❧❧✑✳ ❆❧t❤♦✉❣❤ t❤❡ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ✭✷✳✶✮ ❛r❡ st✐❧❧ ✈❛❧✐❞✱ t❤❡② ❝❛♥ ❜❡ s✐♠♣❧✐✜❡❞ ❜② t❛❦✐♥❣ ✐♥t♦ ❛❝❝♦✉♥t t❤❡ ♦r❞❡r ♦❢ ♠❛❣♥✐t✉❞❡ ♦❢ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r✳ ■♥❞❡❡❞✱ s♦♠❡ t❡r♠s ❜❡❝♦♠❡ ♥❡❣❧✐❣✐❜❧❡ ❛s t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ❣♦❡s t♦ 0✳ ❆ ❢♦r♠❛❧ ❛s②♠♣t♦t✐❝ ❡①♣❛♥s✐♦♥ ✭✇rt t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r✮ ✐s t❤❡♥ ❝❛rr✐❡❞ ♦✉t ✐♥ ✭✷✳✶✮ s✐♠✐❧❛r❧② t♦ ❬✶✷✱✷✾✱✸✸✱✹✺❪✳ ❚❤❡ r❡s✉❧t✐♥❣ s②st❡♠ ❦❡❡♣✐♥❣ ♦♥❧② t❡r♠s ♦❢ ♦r❞❡r 0 ✐s ∂tρ + ∇ · (ρu) = 0, ✭✷✳✷❛✮ ∂t(ρu) + ∇ · (ρu ⊗ u) + ∇π = 0, ✭✷✳✷❜✮ ∇ · u = Υ1 Φ(t, x) P(t) − Υ − 1 Υ P′(t) P(t). ✭✷✳✷❝✮ ❈♦♠♣❛r❡❞ t♦ ❬✷✾❪✱ t❤❡ r✐❣❤t ❤❛♥❞ s✐❞❡ ♦❢ ✭✷✳✷❝✮ ✐s ♠♦r❡ ❣❡♥❡r❛❧ ❞✉❡ t♦ t❤❡ ❡♥❡r❣② s♦✉r❝❡ t❡r♠✳ ❆s ❝❧❛ss✐❝❛❧❧② ♦❜s❡r✈❡❞ ✐♥ s✐♠✐❧❛r ❛♣♣r♦❛❝❤❡s✱ t❤❡ ❛s②♠♣t♦t✐❝ ❡①♣❛♥s✐♦♥ r❡s✉❧ts ✐♥ ❛ ❞❡❝♦✉♣❧✐♥❣ ♦❢ t❤❡ ♣r❡ss✉r❡✿ ❼ t❤❡ t❤❡r♠♦❞②♥❛♠✐❝ ♣r❡ss✉r❡ P ✇❤✐❝❤ ✐s ✐♥✈♦❧✈❡❞ ✐♥ t❤❡ ❡q✉❛t✐♦♥ ♦❢ st❛t❡ ❛♥❞ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ ♦r❞❡r 0❀ ❼ t❤❡ ❞②♥❛♠✐❝ ♣r❡ss✉r❡ π t❤❛t ❛♣♣❡❛rs ✐♥ t❤❡ ♠♦♠❡♥t✉♠ ❡q✉❛t✐♦♥ ❛♥❞ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ t❤❡ s❡❝♦♥❞✲ ♦r❞❡r t❡r♠✳ ❚❤✐s ❢❛❝t ❛❧s♦ ✐♠♣❧✐❡s ❛ ❝❤❛♥❣❡ ♦❢ ♥❛t✉r❡ ♦❢ t❤❡ ❡q✉❛t✐♦♥s ✇❤✐❝❤ t✉r♥ ❡❧❧✐♣t✐❝✕❤②♣❡r❜♦❧✐❝ ✐♥st❡❛❞ ♦❢ ♣✉r❡❧② ❤②♣❡r❜♦❧✐❝✳ ❚❤❡ ♠❛✐♥ ❝♦♥s❡q✉❡♥❝❡ ✐s t❤❛t ❛❝♦✉st✐❝ ✇❛✈❡s ❛r❡ ✜❧t❡r❡❞ ♦✉t✳ ❍❡♥❝❡ r❡♠❛✐♥✐♥❣ ✇❛✈❡s ❛r❡ tr❛✈❡❧❧✐♥❣ ❛t t❤❡ ♠❛t❡r✐❛❧ ✈❡❧♦❝✐t②✳ ✷ ■♥st❡❛❞ ♦❢ t❤❡ st❛♥❞❛r❞ ❊✉❧❡r ❝♦♥st❛♥t γ✱ ✇❡ ✐♥tr♦❞✉❝❡ Υ := γ γ−1 ✇❤✐❝❤ ✐s ♠♦r❡ ❝♦♥✈❡♥✐❡♥t ✐♥ t❤❡ ♣r❡s❡♥t st✉❞②✳ ✺❆♥♦t❤❡r r❡♠❛r❦ ✐s t❤❛t ❙②st❡♠ ✭✷✳✷✮ s❡❡♠s t♦ ❜❡ ✐♥❝♦♠♣❧❡t❡ ❛s t❤❡r❡ ❛r❡ ♠♦r❡ ✉♥❦♥♦✇♥s t❤❛♥ ❡q✉❛t✐♦♥s ❞✉❡ t♦ t❤❡ ❡①tr❛ ✈❛r✐❛❜❧❡ π✳ ❆♥ ❛❞❞✐t✐♦♥❛❧ ❡q✉❛t✐♦♥ ✐s t❤❡♥ r❡q✉✐r❡❞✳ ■♥ t❤✐s ❞✐r❡❝t✐♦♥✱ ✇❡ ♥♦t✐❝❡ t❤❛t ❛ ❞✐r❡❝t ✐♥t❡❣r❛t✐♦♥ ♦❢ ✭✷✳✷❝✮ ❧❡❛❞s t♦ P′(t) P(t) = Υ (Υ − 1)|̟| 1 ΥP(t) Z ̟Φ(t, x) dx − Z ∂̟ u· n dσ . ✭✷✳✸✮ ❚❤✐s ❡q✉❛❧✐t② ♣r♦✈✐❞❡s ❛ r❡❧❛t✐♦♥ ❜❡t✇❡❡♥ t❤❡ ♠❡❛♥ ♣r❡ss✉r❡ ❛♥❞ t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ♦♥ t❤❡ ✈❡❧♦❝✐t②✳ ❚✇♦ ❝❛s❡s ♠✉st ❜❡ ❝♦♥s✐❞❡r❡❞✿ ❼ ❊✐t❤❡r ♣r❡ss✉r❡ P ✐s ❦♥♦✇♥ ❢r♦♠ t❤❡ ✉♥❞❡r❧②✐♥❣ ❡①♣❡r✐♠❡♥t ❛♥❞ ✭✷✳✸✮ ♣r♦✈✐❞❡s ❛ ❝♦♥str❛✐♥t ✉♣♦♥ t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ✈❡❧♦❝✐t② ✭✇❤✐❝❤ ♠❛② ✐♥❞✉❝❡ ❛ ❝♦✉♣❧✐♥❣ str❛t❡❣②✮❀ ❼ ❖r t❤❡ ✈❡❧♦❝✐t② ✐s ♣r❡s❝r✐❜❡❞ ♦♥ t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ❛♥❞ ✭✷✳✸✮ ✐s ❛♥ ♦r❞✐♥❛r② ❞✐✛❡r❡♥t✐❛❧ ❡q✉❛t✐♦♥ t❤❛t ❡♥❛❜❧❡s t♦ ❝♦♠♣✉t❡ t❤❡ ♣r❡ss✉r❡✳ ■♥ t❤❡ s❡q✉❡❧✱ ✇❡ s❤❛❧❧ ❛❧✇❛②s ❝♦♥s✐❞❡r t❤❛t ♦♥❡ ♦❢ t❤❡s❡ ❝❛s❡s ✐s ♠❛t❝❤❡❞ ✇❤✐❝❤ ♣r♦✈✐❞❡s t❤❡ r❡q✉✐r❡❞ ❝❧♦s✉r❡ ❡q✉❛t✐♦♥✳ ✷✳✷ ■❇❱P ✐♥ t❤❡ ✶❉ ❝❛s❡ ❲❡ ❞❡t❛✐❧ ❤❡r❡ ✐♥✐t✐❛❧ ✭■❈✮ ❛♥❞ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ✭❇❈✮✳ ❋r♦♠ ♥♦✇ ♦♥✱ ✇❡ ❢♦❝✉s ♦♥ ❞✐♠❡♥s✐♦♥ 1 ✇✐t❤ ̟ = (a, b). ❚❤❡ t✇♦ ♣r❡✈✐♦✉s ♠♦❞❡❧s r❡s♣❡❝t✐✈❡❧② r❡❞✉❝❡ t♦ ∂tρ + ∂x(ρu) = 0, ✭✷✳✹❛✮ ∂t(ρu) + ∂x(ρu2+ p) = 0, ✭✷✳✹❜✮
∂t(ρE) + ∂x(ρEu + pu) = Φ, ✭✷✳✹❝✮
❛♥❞ t♦ ∂tρ + ∂x(ρu) = 0, ✭✷✳✺❛✮ ∂xu = Φ(t, x) ΥP(t) − Υ − 1 Υ P′(t) P(t), ✭✷✳✺❜✮ ∂t(ρu) + ∂x(ρu2+ π) = 0. ✭✷✳✺❝✮ ■♥ t❤❡ ❢r❛♠❡✇♦r❦ ♦❢ ♥✉❝❧❡❛r ♠♦❞❡❧❧✐♥❣✱ Φ ♠♦❞❡❧s t❤❡ ❤❡❛t✐♥❣ ♦❢ t❤❡ ❝♦♦❧❛♥t ✢✉✐❞ ❞✉❡ t♦ ❢✉s✐♦♥ r❡❛❝t✐♦♥s ✐♥ t❤❡ r❡❛❝t♦r ❝♦r❡✳ ▼♦r❡♦✈❡r✱ ✇❡ ❛r❡ ✐♥t❡r❡st❡❞ ✐♥ t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ρ(t, a) = ̺e(t), ✭✷✳✻❛✮ u(t, a) = ue(t), ✭✷✳✻❜✮ p(t, b) = Ps(t), ✭✷✳✻❝✮ ✇❤❡r❡ ̺e✱ ue ❛♥❞ Ps ❛r❡ s♦♠❡ ♣♦s✐t✐✈❡ ❢✉♥❝t✐♦♥s✳ ❆s ❢♦r ✐♥✐t✐❛❧ ❝♦♥❞✐t✐♦♥s✱ ✐♥ ❛❝❝♦r❞❛♥❝❡ ✇✐t❤ ✭✷✳✻✮ ✇❡ ✐♠♣♦s❡ ρ(0, x) = ̺0(x), ✭✷✳✼❛✮ u(0, x) = u0(x), ✭✷✳✼❜✮ p(0, x) = ps, ✭✷✳✼❝✮ ✇❤❡r❡ ̺0✱ u0 ❛♥❞ ps ❛r❡ s♦♠❡ ❞❛t❛ ✇❤✐❝❤ ❛r❡ ❝♦♠♣❛t✐❜❧❡ ✇✐t❤ ❇❈ ✭✷✳✽✮✱ ✐✳❡✳ s✉❝❤ t❤❛t ̺0(x = a) = ̺e(t = 0)✱ u0(x = a) = ue(t = 0)❛♥❞ ps = Ps(0)✳ ❚❤❡s❡ t✇♦ ♠♦❞❡❧s ❛r❡ st✉❞✐❡❞ ✐♥ ❙❡❝t✐♦♥✸✳ ✻
✷✳✸ ❚❤❡ ❝♦✉♣❧❡❞ ♣r♦❜❧❡♠ ▼♦❞❡❧s ❧✐❦❡ ✭✷✳✷✮ ❤❛✈❡ ❜❡❡♥ ✐♥tr♦❞✉❝❡❞ ❢♦r t✇♦ ♠❛✐♥ r❡❛s♦♥s✿ ✜rst✱ t❤❡② ❛r❡ ❤♦♣❡❞ t♦ ♣r♦❞✉❝❡ ❧❡ss ❡①♣❡♥s✐✈❡ ❛❧❣♦r✐t❤♠s❀ s❡❝♦♥❞❧②✱ t❤❡② ❡♥❛❜❧❡ t♦ t❛❝❦❧❡ t❤❡ ✐ss✉❡ ♦❢ ♥✉♠❡r✐❝❛❧ ✐♥st❛❜✐❧✐t✐❡s ❞✉❡ t♦ t❤❡ ❧♦✇ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r✳ ❆s t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ✐s ❝♦♠♠♦♥❧② ❛ss✉♠❡❞ t♦ ❜❡ s♠❛❧❧ ✐♥ ♥✉❝❧❡❛r ♣r♦❝❡ss❡s ❬✶✷✱✸✽❪✱ ✐t s❡❡♠s ♥❛t✉r❛❧ t♦ ♠❛❦❡ ✉s❡ ♦❢ ❙②st❡♠ ✭✷✳✺✮ ✐♥ t❤❡ ❢r❛♠❡✇♦r❦ ♦❢ t❤❡ ♣r❡s❡♥t st✉❞②✳ ❍♦✇❡✈❡r✱ ❛s ❛❝❝✐❞❡♥t❛❧ ❡✈❡♥ts ♠❛② ♦❝❝✉r✱ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ♠❛② ✐♥❝r❡❛s❡ ❞r❛♠❛t✐❝❛❧❧② s♦ t❤❛t ✐t ❝❛♥♥♦t ❜❡ ❛ss✉♠❡❞ t♦ ❜❡ s♠❛❧❧ ❛♥②♠♦r❡✳ ❚❤❛t ✐s ✇❤② ❛♥ ❛❞❛♣t✐✈❡ str❛t❡❣② ✐s ❝♦♥s✐❞❡r❡❞ ❤❡r❡✳ ❲❡ ✐♥tr♦❞✉❝❡ t✇♦ ❞♦♠❛✐♥s✿ Ω = (0, L) ♠♦❞❡❧s t❤❡ ❝♦r❡ ♦❢ t❤❡ ♥✉❝❧❡❛r r❡❛❝t♦r ✭L ✐s t❤✉s t❤❡ ❧❡♥❣t❤ ♦❢ t❤❡ ❝♦r❡✮ ❛♥❞ ω(t) = 0, α(t)✐s t❤❡ s✉❜❞♦♠❛✐♥ ♦❢ Ω ✇❤❡r❡ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ✐s s♠❛❧❧✳ ❍❡r❡ α ✐s ❛ ❣✐✈❡♥ ♥✉♠❜❡r s✉❝❤ t❤❛t 0 ≤ α ≤ L✳ ❚❤❡ t✉♥✐♥❣ ♦❢ α ✇✐❧❧ ❜❡ ❞✐s❝✉ss❡❞ ✐♥ t❤❡ ♥✉♠❡r✐❝❛❧ ♣❛rt ♦❢ t❤✐s ♣❛♣❡r ✭s❡❡ ❙❡❝t✐♦♥✺✮✳ ❲❡ ❛r❡ ✐♥t❡r❡st❡❞ ✐♥ t❤❡ ❝♦✉♣❧✐♥❣ ❜❡t✇❡❡♥ t❤❡ ❧♦✇ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ♠♦❞❡❧ ✭✷✳✺✮ s❡t ✐♥ ω(t) = 0, α(t) ❛♥❞ t❤❡ ❊✉❧❡r s②st❡♠ ✭✷✳✹✮ s❡t ✐♥ Ω\ω(t) = α(t), L✳ ❇❈ ❛t t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ♦❢ Ω ❛r❡ ρ(t, 0) = ̺e(t), ✭✷✳✽❛✮ u(t, 0) = ue(t), ✭✷✳✽❜✮ p(t, L) = ps. ✭✷✳✽❝✮ ❚❤❡ ♣♦✐♥t ✐s t♦ ♣r♦✈✐❞❡ tr❛♥s♠✐ss✐♦♥ ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ♦♥ ∂ω(t) ∩ Ω = {α(t)} t♦ ❝♦♥♥❡❝t ❙②st❡♠s ✭✷✳✹✮ ❛♥❞ ✭✷✳✺✮✳ ❙❡✈❡r❛❧ str❛t❡❣✐❡s ♠❛② ❜❡ ❝❧❛ss✐❝❛❧❧② ❝♦♥t❡♠♣❧❛t❡❞ s✉❝❤ ❛s t❤❡ ❝♦♥t✐♥✉✐t② ♦❢ ♣❤②s✐❝❛❧ ✈❛r✐✲ ❛❜❧❡s✱ ❝♦♥s❡r✈❛t✐✈❡ ✈❛r✐❛❜❧❡s ♦r ✢✉①❡s✳ ❲❡ ♣r♦♣♦s❡ t♦ ❝♦✉♣❧❡ t❤❡ t✇♦ s②st❡♠s t❤r♦✉❣❤ t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ❝♦♥t✐♥✉✐t② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ρ✭✷✳✺✮ t, α−(t)= ρ✭✷✳✹✮ t, α+(t), ✭✷✳✾❛✮ u✭✷✳✺✮ t, α−(t)= u✭✷✳✹✮ t, α+(t), ✭✷✳✾❜✮ P✭✷✳✺✮(t) = p✭✷✳✹✮ t, α+(t), ✭✷✳✾❝✮ ❛♥❞ π✭✷✳✺✮ t, α−(t)= 0. ✭✷✳✾❞✮ ❚❤❡ ❡①♣♦♥❡♥t ❞❡♥♦t❡s t❤❡ s②st❡♠ t♦ ✇❤✐❝❤ t❤❡ ✈❛r✐❛❜❧❡ ✐s ❛ s♦❧✉t✐♦♥✳ ❈♦♥❞✐t✐♦♥ ✭✷✳✾❞✮ ❝♦♠❡s ❢r♦♠ t❤❡ ❢❛❝t t❤❛t π ✐s ❦♥♦✇♥ ✉♣ t♦ ❛ ❝♦♥st❛♥t✳ ❚♦ ✜① ✐t✱ ✇❡ ❞❡❝✐❞❡❞ t♦ r❡❧② ♦♥ t❤❡ ❛s②♠♣t♦t✐❝ ❞❡✈❡❧♦♣♠❡♥t ✇❤❡r❡ π ✐s t❤❡ 2♥❞✲♦r❞❡r t❡r♠✳ ❚❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥ ✐s t❤✉s s✉♣♣♦rt❡❞ ❜② t❤❡ ✵t❤✲♦r❞❡r t❡r♠ P t❤r♦✉❣❤ ✭✷✳✾❝✮✳ ❚❤✐s str❛t❡❣② ✐s ❞❡♣✐❝t❡❞ ♦♥ ❋✐❣✉r❡✷✳ ❚❤✐s ❝❤♦✐❝❡ r❡❧✐❡s ♦♥ t❤❡ ♣❛rt✐❝✉❧❛r ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s t❤❛t ❛r❡ ❝♦♥s✐❞❡r❡❞ ✐♥ t❤❡ ♣r❡s❡♥t st✉❞② ✭✐♠♣♦s❡❞ ✉♣♦♥ ♣❤②s✐❝❛❧ ✈❛r✐❛❜❧❡s✮✳ ▼♦r❡♦✈❡r✱ ✇❡ ❡♠♣❤❛s✐③❡ t❤❛t ♥♦ ♣❤②s✐❝❛❧ ♣❤❡♥♦♠❡♥♦♥ ✭✇❤✐❝❤ ♠❛② ✐♥❞✉❝❡ ❞✐s❝♦♥t✐♥✉✐t✐❡s✮ ✐s ❡①♣❡❝t❡❞ t♦ ❤❛♣♣❡♥ ❛t t❤❡ ✜❝t✐t✐♦✉s ✐♥t❡r❢❛❝❡ ✭ω(t) ✐s ❝❤♦s❡♥ s♦ t❤❛t ♥♦ ❛❝♦✉st✐❝ ❡✛❡❝t ✐s ♣r❡❞♦♠✐♥❛♥t ✐♥ ✐ts ✈✐❝✐♥✐t②✮✳ ❚❤❡ t❤❡♦r❡t✐❝❛❧ st✉❞② ♦❢ t❤✐s str❛t❡❣② ✐s ♣r❡s❡♥t❡❞ ✐♥ ❙❡❝t✐♦♥✹❛♥❞ ♥✉♠❡r✐❝❛❧ ❛♣♣❧✐❝❛t✐♦♥s ✐♥ ❙❡❝t✐♦♥ ✺✳
✸ ❯♥st❡❛❞② ❛♥❞ st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ♦❢ ✐♥❞✐✈✐❞✉❛❧ ♠♦❞❡❧s
❋r♦♠ ♥♦✇ ♦♥✱ ✇❡ ❛ss✉♠❡ t❤❛t t❤❡ s♦✉r❝❡ t❡r♠ ✐s ❝♦♥st❛♥t Φ(t, x) ≡ Φ0 > 0✳ ❊①t❡♥s✐♦♥s t♦ Φ = Φ(x) ❛r❡ str❛✐❣❤t❢♦r✇❛r❞ ✭s❡❡ ❈♦r♦❧❧❛r②✸❢♦r ❡①❛♠♣❧❡✮✳ ❇❡❢♦r❡ ❡st❛❜❧✐s❤✐♥❣ t❤❡ ❝♦✉♣❧✐♥❣ str❛t❡❣②✱ ✇❡ ✇✐s❤ t♦ ❜❡tt❡r ✉♥❞❡rst❛♥❞ t❤❡ ♣r♦♣❡rt✐❡s ♦❢ ❡❛❝❤ ♠♦❞❡❧ ❛♥❞ ❡s♣❡❝✐❛❧❧② t❤❡ ✐♥✢✉❡♥❝❡ ♦❢ t❤❡ ❛s②♠♣t♦t✐❝ ❡①♣❛♥s✐♦♥ ♦♥ st❡❛❞② st❛t❡s✳ ❲❡ t❤✉s ❞♦ ♥♦t ✐♥✈❡st✐❣❛t❡ ✼x 0 α(t) L ̺e✱ ue ps ω(t) Ω\ω(t) ∂tρ + ∂x(ρu) = 0 ∂xu =Φ−(Υ−1)P′ (t)ΥP(t) ∂t(ρu) + ∂x(ρu2+ π) = 0 ∂tρ + ∂x(ρu) = 0 ∂t(ρu) + ∂x(ρu2+ p) = 0
∂t(ρE) + ∂x(ρEu + pu) = Φ
E = (Υ − 1)p ρ+ |u|2 2 ρ(t, α−(t) = ρ(t, α+(t) u(t, α−(t) = u(t, α+(t) P(t) = p(t, α+(t) π(t, α−(t) = 0 ❋✐❣✉r❡ ✷✿ ❙❡tt✐♥❣ ♦❢ t❤❡ ❝♦✉♣❧✐♥❣ ♣r♦❜❧❡♠ t❤❡ ❝♦✉♣❧✐♥❣ ✐♥ t❤✐s s❡❝t✐♦♥ ❜✉t ✇❡ st✉❞② ❡❛❝❤ s②st❡♠ ✐♥❞❡♣❡♥❞❡♥t❧② ❢r♦♠ ❡❛❝❤ ♦t❤❡r ✐♥ ̟ = (a, b) t♦❣❡t❤❡r ✇✐t❤ ❇❈ ✭✷✳✻✮✳ ✸✳✶ ❯♥st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ❚❤❡ ♥❛t✉r❡ ♦❢ t❤❡ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ✇❤✐❝❤ ❢♦r♠ ❛ ❤②♣❡r❜♦❧✐❝ s②st❡♠ ♦❢ P❉❊s ✐♥❞✉❝❡s ♥✉♠❡r♦✉s ❞✐✣❝✉❧✲ t✐❡s✳ ■♥ ♣❛rt✐❝✉❧❛r✱ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ❛r❡ ✐♠♣♦s❡❞ ❜② t❤❡ s✐❣♥ ♦❢ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝ ✜❡❧❞s ✇❤✐❝❤ ✐s ♥♦t ❦♥♦✇♥ ❛ ♣r✐♦r✐✳ ❚❤❡ r❡❣✉❧❛r✐t② ♦❢ s♦❧✉t✐♦♥s ✐s ❛❧s♦ ✐♥✢✉❡♥❝❡❞ ❜② ❤②♣❡r❜♦❧✐❝✐t②✱ ❛s ❞✐s❝♦♥t✐♥✉✐t✐❡s ♠❛② ❢♦r♠ ✐♥ ✜♥✐t❡ t✐♠❡ ♥♦ ♠❛tt❡r ❤♦✇ s♠♦♦t❤ t❤❡ ❞❛t❛ ❬✽✱✹✹❪✳ ❆♥ ❡①t❡♥s✐✈❡ ❧✐t❡r❛t✉r❡ ❤❛s ❜❡❡♥ ❞❡✈♦t❡❞ t♦ t❤❡ ✇❡❧❧✲♣♦s❡❞♥❡ss ♦❢ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ❜✉t s♦♠❡ ♣r♦❜❧❡♠s ❛r❡ st✐❧❧ ♦♣❡♥✳ ▲✐❦❡✇✐s❡✱ ❢❡✇ ❡①♣❧✐❝✐t s♦❧✉t✐♦♥s ❛r❡ ❦♥♦✇♥ ❡①❝❡♣t ❢♦r s✐♠♣❧❡ ❘✐❡♠❛♥♥ ♣r♦❜❧❡♠s ❬✹✻❪✳ ❍❡♥❝❡✱ ❢❡✇ t❤✐♥❣s ❝❛♥ ❜❡ st❛t❡❞ ❛❜♦✉t ✉♥st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ❢♦r t❤❡ ❝♦♠♣r❡ss✐❜❧❡ ♠♦❞❡❧ ✭✷✳✹✮✳ ❖♥ t❤❡ ❝♦♥tr❛r②✱ t❤❡ ♠❛t❤❡♠❛t✐❝❛❧ str✉❝t✉r❡ ♦❢ t❤❡ ❧♦✇ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r s②st❡♠ ✭✷✳✺✮ ✐s ❞✐✛❡r❡♥t ❢r♦♠ t❤❡ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ❛s ✐t ✐s ❤②♣❡r❜♦❧✐❝✲❡❧❧✐♣t✐❝✳ ❆ ♠❛✐♥ ❝♦♥s❡q✉❡♥❝❡ ✐♥ ✶❉ ✐s t❤❛t ✇❡ ❝❛♥ ♣r♦✈✐❞❡ ❡①♣❧✐❝✐t ✉♥st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s s✐♠✐❧❛r❧② t♦ ❬✹✱✺❪✿ Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✶✳ ❙②st❡♠ ✭✷✳✺✮ t♦❣❡t❤❡r ✇✐t❤ ❇❈ ✭✷✳✻✮ ❛♥❞ ■❈ ✭✷✳✼✮ ❤❛s ❛ ✉♥✐q✉❡ s♦❧✉t✐♦♥ ❣✐✈❡♥ ❜② ρLM(t, x) = ̺e(t∗) · Ps(t) Ps(t∗) (Υ−1)/Υ exp −Φ0 Υ Πs(t) − Πs(t ∗) , ✐❢ t❤❡r❡ ❡①✐sts t∗ ∈ (0, t) s✉❝❤ t❤❛t χ(t∗; t, x) = 0, ✭✸✳✶❛✮ ρLM(t, x) = ̺0 χ(0; t, x)· Ps(t) Ps(0) (Υ−1)/Υ exp −ΦΥ0 Πs(t) − Πs(0) , ♦t❤❡r✇✐s❡, ✭✸✳✶❜✮ P(t) = Ps(t), ✭✸✳✶❝✮ uLM(t, x) = ue(t) + Φ0 ΥPs(t)− Υ − 1 Υ Ps′(t) Ps(t) (x − a). ✭✸✳✶❞✮ Πs ❞❡♥♦t❡s ❛ ♣r✐♠✐t✐✈❡ ❢✉♥❝t✐♦♥ ♦❢ 1/Ps ❛♥❞ χ ✐s t❤❡ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝ ✢♦✇ ❣✐✈❡♥ ❜② ✭✸✳✸✮✳ Pr♦♦❢✳ ❖♥ t❤❡ ♦♥❡ ❤❛♥❞✱ ✇❡ ♥♦t✐❝❡ t❤❛t ✭✸✳✶❝✮ ✐s ❛ ❞✐r❡❝t ❝♦♥s❡q✉❡♥❝❡ ♦❢ ❇❈ ✭✷✳✻❝✮✳ ❖♥ t❤❡ ♦t❤❡r ❤❛♥❞✱ ❊q✳ ✭✷✳✺❜✮ ❝❛♥ ❜❡ ❞✐r❡❝t❧② ✐♥t❡❣r❛t❡❞ ❛♣♣❧②✐♥❣ ❇❈ ✭✷✳✻❜✮ ✇❤✐❝❤ ②✐❡❧❞s ✭✸✳✶❞✮✳ ✽
❚❤❡ ✈❡❧♦❝✐t② ✜❡❧❞ ❜❡✐♥❣ ❦♥♦✇♥✱ ✇❡ ❝❛♥ ❝♦♠♣✉t❡ t❤❡ ❞❡♥s✐t② ❜② ❛♣♣❧②✐♥❣ t❤❡ ♠❡t❤♦❞ ♦❢ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝s t♦ ❊q✳ ✭✷✳✺❛✮✳ ▲❡t χ ❜❡ t❤❡ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝ ✢♦✇ ❛ss♦❝✐❛t❡❞ ✇✐t❤ uLM✱ ✐✳❡✳ s♦❧✉t✐♦♥ t♦ t❤❡ ❖❉❊ dχ dτ = u LM τ, χ(τ ), χ(t) = x. ✭✸✳✷✮ ❉✉❡ t♦ ❝❧❛ss✐❝❛❧ s♠♦♦t❤♥❡ss r❡s✉❧ts ❬✶✵❪✱ t❤❡ s♦❧✉t✐♦♥ ♦❢ t❤✐s ♦r❞✐♥❛r② ❞✐✛❡r❡♥t✐❛❧ ❡q✉❛t✐♦♥ ✭❖❉❊✮ ❞❡♣❡♥❞s ❝♦♥t✐♥✉♦✉s❧② ♦♥ t ❛♥❞ x ✇❤✐❝❤ ❛r❡ ❝♦♥s✐❞❡r❡❞ ❛s ♣❛r❛♠❡t❡rs✳ ❚❤❛t ✐s ✇❤② t❤❡ s♦❧✉t✐♦♥ t♦ ✭✸✳✷✮ ✐s ❞❡♥♦t❡❞ ❜② χ(τ; t, x) ✐♥ t❤❡ s❡q✉❡❧ ✭♦r s✐♠♣❧② χ(τ) ✐❢ ♥♦ ❝♦♥❢✉s✐♦♥ ✐s ♣♦ss✐❜❧❡✮✳ ❚❤❛♥❦s t♦ ✭✸✳✶❞✮✱ ❖❉❊ ✭✸✳✷✮ r❡❛❞s [χ(τ ) − a] exp −Φ0Πs(τ ) + (Υ − 1) ln Ps(τ ) Υ ′ = ue(τ ) exp −Φ0Πs(τ ) + (Υ − 1) ln PΥ s(τ ) . ❆ ❞✐r❡❝t ✐♥t❡❣r❛t✐♦♥ ❧❡❛❞s t♦ χ(τ ; t, x) = a + (x − a) Ps(t) Ps(τ ) (Υ−1)/Υ exp Φ0 Υ Πs(τ ) − Πs(t) + Z τ t ue(σ) Ps(σ) Ps(τ ) (Υ−1)/Υ exp Φ0 Υ Πs(τ ) − Πs(σ) dσ. ✭✸✳✸✮ ❙❡tt✐♥❣ ̺(τ) = ρLM τ, χ(τ ; t, x) ❛♥❞ ✉s✐♥❣ t❤❡ ❞✐✈❡r❣❡♥❝❡ ❝♦♥str❛✐♥t ✭✷✳✺❜✮✱ ❊q✳ ✭✷✳✺❛✮ ❝❛♥ ❜❡ ✇r✐tt❡♥ ̺′(τ ) = −̺(τ)∂xuLM τ, χ(τ ; t, x) = (Υ − 1)P ′ s(τ ) − Φ0 ΥPs(τ ) ̺(τ ). ❍❡♥❝❡✿ ρLM τ, χ(τ ; t, x)= ρ(t, x) · Ps(τ ) Ps(t) (Υ−1)/Υ exp −ΦΥ0 Πs(τ ) − Πs(t) . ❚✇♦ ❝❛s❡s ♠✉st ❜❡ ❝♦♥s✐❞❡r❡❞ ❞❡♣❡♥❞✐♥❣ ♦♥ (t, x)✿ ❼ ❡✐t❤❡r t❤❡ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝ ❝✉r✈❡ τ 7→ χ(τ; t, x) r❡❛❝❤❡s t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② x = a ❢♦r s♦♠❡ t∗(t, x) ∈ (0, t)✱ ✐✳❡✳ χ(t∗; t, x) = 0 ✇❤✐❝❤✱ ❞✉❡ t♦ ✭✷✳✻❛✮✱ ❧❡❛❞s t♦ ✭✸✳✶❛✮❀ ❼ ♦r t❤❡ ❝❤❛r❛❝t❡r✐st✐❝ ❝✉r✈❡ ❧✐❡s ✐♥ ̟ ❢♦r ❛❧❧ τ ∈ (0, t)✳ ❚❤❡♥✱ ❢♦r τ = 0✱ ✇❡ ♦❜t❛✐♥ ✭✸✳✶❜✮✳ ❘❡♠❛r❦ ✶✳ ❙♦❧✉t✐♦♥ ✭✸✳✶✮ ✐s ❛ ❣❡♥❡r❛❧✐③❛t✐♦♥ ♦❢ ❬✹✱ Pr♦♣✳ ✸✳✶❪ ❢♦r ✈❛r✐❛❜❧❡ ♦✉t♣✉t ♣r❡ss✉r❡ ❛♥❞ ✐♥❧❡t ✈❡❧♦❝✐t②✳ ■♥❞❡❡❞✱ ✇❤❡♥ Ps(t) = ps ❛♥❞ ue(t) = ¯ue✱ t❤❡ ♣r❡✈✐♦✉s ❡①♣r❡ss✐♦♥s ❝❛♥ ❜❡ ♠❛❞❡ ❡①♣❧✐❝✐t✳ ❲❡ ❤❛✈❡ t∗(t, x) = t − Υps Φ0 ln 1 + Φ0 Υps¯ue(x − a) . ❍❡♥❝❡ ρLM(t, x) = ρ0 χ(0; t, x) exph−ΥpsΦ0ti, ✐❢ t < ΥpsΦ0 ln1 +Υps¯Φ0ue(x − a), ρe t∗(t, x) 1 +Υps¯Φ0ue(x − a), ♦t❤❡r✇✐s❡✳ ✾
✸✳✷ ❙t❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ❆s ✇❡ ❤❛✈❡ ♥♦ ❡①♣❧✐❝✐t ✉♥st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ❢♦r t❤❡ ❝♦♠♣r❡ss✐❜❧❡ ❡q✉❛t✐♦♥s✱ ✇❡ ❝❛♥♥♦t ❛♥❛❧②③❡ t❤❡ ✐♥✢✉❡♥❝❡ ♦❢ t❤❡ ❧♦✇ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r ❛ss✉♠♣t✐♦♥✳ ❚❤✐s ♠❛❞❡ ✉s ❢♦❝✉s ♦♥ st❡❛❞② st❛t❡s ✐♥ ♦r❞❡r t♦ ♣r♦✈✐❞❡ ❛ q✉❛❧✐t❛t✐✈❡ st✉❞②✳ ❚❤✉s ✇❡ ❛ss✉♠❡ ✐♥ t❤✐s s❡❝t✐♦♥ t❤❛t ̺e ❛♥❞ ue ❛r❡ s♦♠❡ ❝♦♥st❛♥ts ❛♥❞ t❤❛t Ps(t) = ps✳ ✸✳✷✳✶ ❈♦♠♣r❡ss✐❜❧❡ ♠♦❞❡❧ ❈♦♥tr❛r② t♦ t❤❡ ✉♥st❡❛❞② ❝❛s❡✱ ✇❡ ❛r❡ ❛❜❧❡ t♦ ❞❡r✐✈❡ ✐♥ t❤✐s ♣❛r❛❣r❛♣❤ ❡①♣❧✐❝✐t ❡①♣r❡ss✐♦♥s ❢♦r st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s t♦ ❙②st❡♠ ✭✷✳✹✮ s✉♣♣❧❡♠❡♥t❡❞ ✇✐t❤ ❇❈ ✭✷✳✻✮✳ ❚❤❡ ❞❡r✐✈❛t✐♦♥ ♦❢ s✉❝❤ s♦❧✉t✐♦♥s ❢♦r t❤❡ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ✐♥ t❤❡ tr❛♥s♦♥✐❝ ❝❛s❡ ❛♥❞ t❤❡✐r ♣❤②s✐❝❛❧✴♥✉♠❡r✐❝❛❧ st❛❜✐❧✐t② ❤❛✈❡ ❜❡❡♥ st✉❞✐❡❞ ❢♦r ❡①❛♠♣❧❡ ✐♥ ❬✶✻❪ ✭✐♥ t❤❡ ❝❛s❡ Φ = 0✱ ✇✐t❤♦✉t ❡♥❡r❣② ❛♥❞ ✇✐t❤ ✈❛r✐❛❜❧❡ ❛r❡❛✮✳ De := ̺eue ❞❡♥♦t❡s t❤❡ ✐♥✢♦✇ r❛t❡✳ ❲❡ ✐♥tr♦❞✉❝❡ t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ♥♦♥❞✐♠❡♥s✐♦♥❛❧✐③❡❞ ❝♦❡✣❝✐❡♥ts e ps= ps̺e D2 e , eΦ = 2Φ0̺ 2 e(b − a) D3 e . ✭✸✳✹✮ ■♥ t❤❡ s❡q✉❡❧✱ e ✇✐❧❧ ❞❡♥♦t❡ ✈❛r✐❛❜❧❡s ✇✐t❤♦✉t ❞✐♠❡♥s✐♦♥✳ ❲❡ ❛❧s♦ r❡❝❛❧❧ t❤❛t Υ > 1✳ Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✷✳ ▲❡t ✉s ❛ss✉♠❡ t❤❛t t❤❡ ♣❤②s✐❝❛❧ ❛♥❞ ❜♦✉♥❞❛r② ❞❛t❛ s❛t✐s❢② t❤❡ ✐♥❡q✉❛❧✐t② e ps> Υ − 1 Υ 1 + s e Φ 2Υ − 1 . ✭❍✶✮ ❚❤❡♥ ❙②st❡♠ ✭✷✳✹✮ s❡t ✐♥ (a, b) ✇✐t❤ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ✭✷✳✻✮ ❛❞♠✐ts t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ st❡❛❞② st❛t❡ ρ∞(x) = ̺e Υ(pee+ 1) + q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
2Υpee+ 1 + eΦx−ab−a , p∞(x) = D 2 e (2Υ − 1)̺e (Υ − 1)(epe+ 1) + q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, u∞(x) = De (2Υ − 1)̺e Υ(pee+ 1) − q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, ✭✸✳✺✮ ✇❤❡r❡ epe:= (Υ − 1)(1 − eps) + q (Υpes− Υ + 1)2+ eΦ✳ ◆♦t✐❝❡ t❤❛t p∞(a) = D 2 epee ̺e ✳ ❈♦r♦❧❧❛r② ✶✳ ❍②♣♦t❤❡s✐s ✭❍✶✮ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ ❛ s✉❜s♦♥✐❝ ❝♦♥✜❣✉r❛t✐♦♥✱ ✐✳❡✳ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r maxxM∞(x) ❛ss♦❝✐❛t❡❞ ✇✐t❤ ✭✸✳✺✮ ✐s ❧♦✇❡r t❤❛♥ 1✳ Pr♦♣♦s✐t✐♦♥ ✸✳ ▲❡t ✉s ❛ss✉♠❡ t❤❛t t❤❡ ❞❛t❛ s❛t✐s❢② t❤❡ ✐♥❡q✉❛❧✐t✐❡s e Φ < (Υ − 1) 2 2Υ − 1 , ℘ <pes< Υ − 1 Υ 1 − s e Φ 2Υ − 1 , ✭❍✷✮ ✶✵
✇❤❡r❡ ℘ = Υ−1 2Υ−1 1 −q1 −(Υ−1)2Υ−12Φe ✳ ❚❤❡♥ ❙②st❡♠ ✭✷✳✹✮ s❡t ✐♥ (a, b) ✇✐t❤ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ✭✷✳✻✮ ❛❞♠✐ts t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ st❡❛❞② st❛t❡ ρ∞(x) = ̺e Υ(pee+ 1) − q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
2Υpee+ 1 + eΦx−ab−a , p∞(x) = D2 e (2Υ − 1)̺e (Υ − 1)(epe+ 1) − q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, u∞(x) = De (2Υ − 1)̺e Υ(pee+ 1) + q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, ✭✸✳✻✮ ✇❤❡r❡ epe:= (Υ − 1)(1 − eps) − q (Υpes− Υ + 1)2+ eΦ✳ ❈♦r♦❧❧❛r② ✷✳ ❍②♣♦t❤❡s✐s ✭❍✷✮ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ ❛ s✉♣❡rs♦♥✐❝ ❝♦♥✜❣✉r❛t✐♦♥✱ ✐✳❡✳ t❤❡ ▼❛❝❤ ♥✉♠❜❡r maxxM∞(x) ❛ss♦❝✐❛t❡❞ ✇✐t❤ ✭✸✳✻✮ ✐s ❣r❡❛t❡r t❤❛♥ 1✳ ❈♦r♦❧❧❛r② ✸✳ ❲❤❡♥ Φ ❞❡♣❡♥❞s ♦♥ t❤❡ s♣❛❝❡ ✈❛r✐❛❜❧❡ ✭❜✉t ✐s st✐❧❧ ♣♦s✐t✐✈❡✮✱ t❤❡ ♣r❡✈✐♦✉s ♣r♦♣♦s✐t✐♦♥s ✭✷ ❛♥❞✸✮ ❤♦❧❞ ✇✐t❤ eΦ ❛♥❞ x−a b−a r❡♣❧❛❝❡❞ r❡s♣❡❝t✐✈❡❧② ❜② 2̺2e D3 e Z b a Φ(y) dy ❛♥❞ Rx a Φ(y) dy Rb aΦ(y) dy . ❘❡♠❛r❦ ✷✳ ❙t❡❛❞② st❛t❡s ✭✸✳✺✮ ❛♥❞ ✭✸✳✻✮ ❛r❡ ♥♦t ❦♥♦✇♥ ✐♥ t❤❡ ❧✐t❡r❛t✉r❡ t♦ ♦✉r ❦♥♦✇❧❡❞❣❡✳ ❉✉❡ t♦ t❤❡ s♦✉r❝❡ t❡r♠ Φ✱ t❤❡② ❛r❡ ♥♦t tr✐✈✐❛❧✳ ❍♦✇❡✈❡r✱ t❤❡② ❛r❡ s♠♦♦t❤ ❢✉♥❝t✐♦♥s ♦❢ eΦ ✭❛♥❞ t❤✉s ♦❢ Φ0✮ ❛♥❞ ✇❤❡♥ Φ0→ 0✱ ✇❡ r❡❝♦✈❡r t❤❡ st❛♥❞❛r❞ tr✐✈✐❛❧ st❡❛❞② st❛t❡ ❢♦r t❤❡ ❊✉❧❡r s②st❡♠✱ ✐✳❡✳ (ρ∞, u∞, p∞) = (̺e, ue, ps) ❢r♦♠ Pr♦♣✳ ✷ ❢♦r eps> Υ−1Υ ❛♥❞ ❢r♦♠ Pr♦♣✳✸ ❢♦r 0 < eps < Υ−1Υ ✳ ❆s st❛t❡❞ ✐♥ Pr♦♣✳✷ ❛♥❞ Pr♦♣✳ ✸✱ ✇❡ ❝❛♥♥♦t ❛❧✇❛②s ❡①❤✐❜✐t ❛ st❡❛❞② st❛t❡✳ ❚❤❡ ❞♦♠❛✐♥ ♦❢ ❡①✐st❡♥❝❡ ✐s ❞r❛✇♥ ♦♥ ❋✐❣✉r❡ ✸✳ ▲❡t ✉s ♠❛❦❡ s♦♠❡ ❝♦♠♠❡♥ts ❛❜♦✉t t❤✐s ❣r❛♣❤✳ ❚❤❡ ❞❛s❤❡❞ ❧✐♥❡ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ t❤❡ s♦♥✐❝ ❧✐♥❡✳ ❆❜♦✈❡ t❤✐s ❧✐♥❡ ✭❞♦tt❡❞ ❛r❡❛✮✱ t❤❡ ✢♦✇ ✐s s✉❜s♦♥✐❝ ❛♥❞ ❛ st❡❛❞② st❛t❡ ❝❛♥ ❛❧✇❛②s ❜❡ ❝♦♠♣✉t❡❞✳ ❚❤❡ ❧♦❝❛t✐♦♥ ♦❢ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥s ✐s t❤❡♥ ✐♥ ❛❝❝♦r❞❛♥❝❡ ✇✐t❤ t❤❡ ❡✐❣❡♥✈❛❧✉❡s ❛ss♦❝✐❛t❡❞ ✇✐t❤ t❤❡ ❊✉❧❡r s②st❡♠✱ ✇❤✐❝❤ ❛r❡ u − c✱ u ❛♥❞ u + c ✇❤❡r❡ c ✐s t❤❡ s♣❡❡❞ ♦❢ s♦✉♥❞✳ ❚❤❡r❡ ❛r❡ t✇♦ ♣♦s✐t✐✈❡ ❡✐❣❡♥✈❛❧✉❡s ✭❛♥❞ t✇♦ ✐♥♣✉t ❇❈✮ ❛♥❞ ❛ ♥❡❣❛t✐✈❡ ♦♥❡ ✭❛♥❞ ♦♥❡ ♦✉t♣✉t ❇❈✮✳ ❇❡❧♦✇ t❤❡ s♦♥✐❝ ❧✐♥❡✱ t❤✐s st❛t❡♠❡♥t ❞♦❡s ♥♦t ❤♦❧❞ ❛♥②♠♦r❡ ✭✸ ♣♦s✐t✐✈❡ ❡✐❣❡♥✈❛❧✉❡s✮ ❛♥❞ ✇❡ ❝♦✉❧❞ ❡①♣❡❝t t♦ ❤❛✈❡ ♥♦ st❡❛❞② st❛t❡✳ ❍♦✇❡✈❡r✱ t❤❡r❡ ❡①✐sts ❛ s♠❛❧❧ ❞♦♠❛✐♥ ✭❞❛s❤❡❞ ❛r❡❛✮ ✐♥ t❤❡ s✉♣❡rs♦♥✐❝ ♣❛rt✳ ❆s t❤❡ tr✐✈✐❛❧ st❛t❡ (̺e, ue, ps) ✐s ❛ st❛t✐♦♥❛r② s♦❧✉t✐♦♥ ✇❤❡♥ Φ0 = 0 ♥♦ ♠❛tt❡r ✇❤❛t t❤❡ r❡❣✐♠❡ ♦❢ ❝♦♠♣r❡ss✐❜✐❧✐t② ✭s❡❡ ❘❡♠✳✷✮✱ t❤✐s ❛r❡❛ ❧♦♦❦s ❧✐❦❡ ❛ ❝♦♥t✐♥✉♦✉s ❡①t❡♥s✐♦♥ ✐♥ t❤❡ ✈✐❝✐♥✐t② ♦❢ t❤❡s❡ tr✐✈✐❛❧ st❛t❡s✳ ❲❡ ♠❛❦❡ t✇♦ ♦t❤❡r r❡♠❛r❦s ❛❜♦✉t t❤❡ r❡s✉❧ts ♦❢ t❤✐s s❡❝t✐♦♥✳ ❚❤❡ ✜rst ♦♥❡ ✐s ❛❜♦✉t ✉♥✐q✉❡♥❡ss✿ ❛s ✐t ✇✐❧❧ ❜❡ ❞❡t❛✐❧❡❞ ❜❡❧♦✇✱ t❤❡ ♣r♦♦❢ ❣♦❡s t♦ s❤♦✇ t❤❛t ✭✸✳✺✮ ✐s t❤❡ ✉♥✐q✉❡ s♠♦♦t❤ s✉❜s♦♥✐❝ st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥✳ ❚❤❡ s❡❝♦♥❞ ♦♥❡ ✐s t❤❛t t❤❡s❡ s♦❧✉t✐♦♥s ❛r❡ s♦♠❡ st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥s ❜✉t ✇❡ ❞♦ ♥♦t st❛t❡ t❤❛t t❤❡② ❛r❡ ❛s②♠♣t♦t✐❝ s♦❧✉t✐♦♥s✿ t❤❡r❡ ✐s ♥♦ ♣r♦♦❢ t❤❛t ❛♥② ✉♥st❡❛❞② s♦❧✉t✐♦♥ ✇♦✉❧❞ ❝♦♥✈❡r❣❡ ❛s t → +∞ t♦✇❛r❞s ✭✸✳✺✮✳ ▲❛r❣❡ t✐♠❡ ❜❡❤❛✈✐♦✉r ♦❢ s♦❧✉t✐♦♥s t♦ ❊✉❧❡r ❡q✉❛t✐♦♥s ✐s ✐♥❞❡❡❞ ❛♥ ♦♣❡♥ q✉❡st✐♦♥ ✇❤✐❝❤ ✐s ♥♦t tr❡❛t❡❞ ✐♥ t❤✐s ♣❛♣❡r✳ ✶✶
M∞= 1 0 Φ0 ps Υ−1 Υ ̺eu 2 e Υ−1 2Υ−1̺eu 2 e (Υ−1)2 2Υ−1 ̺eu3 e 2(b−a) ❋✐❣✉r❡ ✸✿ ❊①✐st❡♥❝❡ ♦❢ ❛ st❡❛❞② st❛t❡ ✐♥ t❤❡ (Φ0, ps) ❞♦♠❛✐♥✿ t❤❡ ❞♦tt❡❞ ❛r❡❛ ❝♦rr❡s♣♦♥❞s t♦ Pr♦♣✳✷ ✭M∞< 1✮ ❛♥❞ t❤❡ ❤❛t❝❤❡❞ ❞♦♠❛✐♥ t♦ Pr♦♣✳ ✸ ✭M∞> 1✮ Pr♦♦❢ ♦❢ Pr♦♣✳ ✷ ❛♥❞ ✸✳ ❲❡ ✉s❡ ❛ s❤♦♦t✐♥❣ ♠❡t❤♦❞ ❜② t✉♥✐♥❣ t❤❡ ✐♥✢♦✇ ♣r❡ss✉r❡ pe = p∞(x = a) s♦ t❤❛t ✭✷✳✻❝✮ ✐s s❛t✐s✜❡❞✳ ▲❡t ✉s s❡t e pe= pe̺e D2 e . ■♥t❡❣r❛t✐♥❣ ✭✷✳✹✮ ♦✈❡r (a, x) ❛♥❞ t❛❦✐♥❣ ❇❈ ✭✷✳✻❛✲✷✳✻❜✮ ✐♥t♦ ❛❝❝♦✉♥t✱ t❤❡ st❡❛❞② st❛t❡s s❛t✐s❢② t❤❡ ❡q✉❛❧✐t✐❡s ρ∞(x)u∞(x) − De= 0, ✭✸✳✼❛✮ ρ∞(x)u∞(x)2− ̺eu2e+ p∞(x) − pe= 0, ✭✸✳✼❜✮
Υp∞(x)u∞(x) + 12ρ∞(x)u∞(x)3− Υpeue−12̺eu3e = Φ0(x − a). ✭✸✳✼❝✮
❆ss✉♠✐♥❣ ρ∞(x) > 0✱ ❊q✳ ✭✸✳✼❛✮ ②✐❡❧❞s u∞(x) = De ρ∞(x) . ✭✸✳✼❛✬✮ ❉✉❡ t♦ t❤✐s r❡❧❛t✐♦♥✱ ✭✸✳✼❜✮ r❡❛❞s p∞(x) = pe− D2e 1 ρ∞(x)− 1 ̺e . ✭✸✳✼❜✬✮ ■♥s❡rt✐♥❣ r❡❧❛t✐♦♥s ✭✸✳✼❛✬✮ ❛♥❞ ✭✸✳✼❜✬✮ ✐♥t♦ ✭✸✳✼❝✮ ❛♥❞ ♠✉❧t✐♣❧②✐♥❣ ❜② ρ2 ∞✱ ✇❡ ♦❜t❛✐♥ t❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ q✉❛❞r❛t✐❝ ❡q✉❛t✐♦♥ ❢♦r ρ∞ ρ∞(x)2 e Φx − a b − a + 1 + 2Υpee − 2Υ̺e(1 +pee)ρ∞(x) + ̺2e(2Υ − 1) = 0. ❚❤❡♥✱ ♣r♦✈✐❞❡❞ t❤❛t (2Υ − 1)eΦ ≤ (Υepe− Υ + 1)2, ✭✸✳✽✮ ✶✷
t❤❡ s♦❧✉t✐♦♥ ✐s r❡❛❧✲✈❛❧✉❡❞ ❛♥❞ r❡❛❞s ρ∞(x) = ̺e
Υ(pee+ 1) ±
q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
2Υpee+ 1 + eΦx−ab−a . ❚❤❡ ±✲s✐❣♥ ✐s ❞❡t❡r♠✐♥❡❞ ❜② t❤❡ ❜♦✉♥❞❛r② ❝♦♥❞✐t✐♦♥ ρ∞(a) = ̺e✳ ■♥❞❡❡❞✿ ρ∞(a) = ̺e Υ(pee+ 1) ± |Υepe− Υ + 1| 2Υpee+ 1 . ❚❤❡ r❡q✉✐r❡♠❡♥t ρ∞(a) = ̺e ✐s t❤✉s s❛t✐s✜❡❞ ❞❡♣❡♥❞✐♥❣ ♦♥ t❤❡ s✐❣♥ ♦❢ Υepe− Υ + 1✳ ▼♦r❡ ♣r❡❝✐s❡❧②✱ ✇❡ ❤❛✈❡ ρ∞(x) = ̺e Υ(pee+ 1) + q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
2Υpee+ 1 + eΦx−ab−a
, ✐❢ epe≥ Υ−1Υ ,
̺e
Υ(pee+ 1) −
q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
2Υpee+ 1 + eΦx−ab−a , ♦t❤❡r✇✐s❡✳ ✭✸✳✾❛✮ ❈♦♥s❡q✉❡♥t❧② ✭s❡❡ ❆♣♣❡♥❞✐①❆✳✶✮✱ ✐♥s❡rt✐♥❣ ✭✸✳✾❛✮ ✐♥t♦ ✭✸✳✼❜✬✮ p∞(x) = D2 e (2Υ − 1)̺e (Υ − 1)(epe+ 1) + q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, ✐❢ epe≥ Υ−1Υ , D2 e (2Υ − 1)̺e (Υ − 1)(epe+ 1) − q
(Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦx−ab−a
, ♦t❤❡r✇✐s❡✳ ✭✸✳✾❜✮ ❚❤❡ s❤♦♦t✐♥❣ ♠❡t❤♦❞ t❤❡♥ ❝♦♥s✐sts ✐♥ ❝❤♦♦s✐♥❣ ♣r❡ss✉r❡ pe s✉❝❤ t❤❛t p∞(b) = ps ✐♥ ♦r❞❡r t♦ ♠❛t❝❤ ❇❈ ✭✷✳✻❝✮✳ ❚♦ ❞♦ s♦✱ ✇❡ ♥♦t✐❝❡ t❤❛t p∞(b) = ps✭⇐⇒ (2Υ − 1)e✸✳✾❜✮ ps− (Υ − 1)(epe+ 1) = ± q (Υpee− Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦ. ❙q✉❛r✐♥❣ ❜♦t❤ s✐❞❡s ♦❢ t❤❡ ❧❛tt❡r ❡q✉❛❧✐t② s❤♦✇s t❤❛t epe ✐s ♥❡❝❡ss❛r✐❧② ❛ s♦❧✉t✐♦♥ t♦ t❤❡ ❡q✉❛t✐♦♥ e
p2e+ 2(Υ − 1)(eps− 1)epe− (2Υ − 1)ep2s+ 2(Υ − 1)eps− eΦ = 0. ✭✸✳✶✵✮
❚❤❡♥ e p±e = (Υ − 1)(1 − eps) ± q (Υpes− Υ + 1)2+ eΦ. ✭✸✳✶✶✮ ❲❡ ❝❛♥ ✈❡r✐❢② t❤❛t ± e p±e −Υ − 1 Υ ≥ 0, ✭✸✳✶✷❛✮ (Υpe±e − Υ + 1)2 ≥ (2Υ − 1)eΦ. ✭✸✳✶✷❜✮ ■♥ ❢❛❝t✱ ♦♥ t❤❡ ♦♥❡ ❤❛♥❞✱ ✭✸✳✶✷❛✮ ✐s ❡q✉✐✈❛❧❡♥t t♦ ±Λ±(Xs) ≥ 0 ✇❤❡r❡ Λ±(Y ) := Y ± Υ Υ − 1 q Y2+ eΦ ❛♥❞ X s= Υ − Υeps− 1. ❲❡ ❡❛s✐❧② ❝❤❡❝❦ t❤❛t Λ± ❤❛s ✐♥❞❡❡❞ t❤❡ s✐❣♥ ♦❢ ± ♦✈❡r R✳ ❖♥ t❤❡ ♦t❤❡r ❤❛♥❞✱ ✭✸✳✶✷❜✮ ❝♦♠❡s ❢r♦♠ t❤❡ ❡q✉❛❧✐t② ✭s❡❡ ❆♣♣❡♥❞✐①❆✳✷✮ (Υpe±e − Υ + 1)2− (2Υ − 1)eΦ = ΥXs± (Υ − 1) q X2 s + eΦ 2 . ✭✸✳✶✸✮ ✶✸
