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Ergebnisse f¨ur den nicht-parallelen langsamen Lax-Schock . 144

7.2 Nicht-parallele Lax-Schocks

7.2.3 Ergebnisse f¨ur den nicht-parallelen langsamen Lax-Schock . 144

In diesem letzten Abschnitt fassen wir die numerischen Ergebnisse f¨ur den langsamen Lax-Schock zusammen. Um der Situation des parallelen Lax-Schocks zu entspre-chen, ersetzen wir in den Ergebnissen den Parametermdurch die Dichtekomponente ρ+ und schreiben ∆a,ρ+,c statt ∆a,m,c.

Symmetriebrechung:

Wir betrachten in (7-23) den Vektor x = (β, a, m), setzen also die Nullstellenglei-chung bez¨uglich den Parametern β, a und m fort, wobei α und c fixiert sind, und zwar durch

• α = 0,

• c∈ {−0.02,−0.019, . . . ,−0.001,0} bzw. c∈ {0,0.001, . . . ,0.019,0.02}.

Dabei starten wir gem¨aß (7-24) mit c = 0 und erh¨ohen den Wert |c| sukzessive, damit der Startwertx0 in Schritt 3 des Algorithmus 7.22 zum aktuellen cdurch die

7.2 Nicht-parallele Lax-Schocks

1.5

2

2.5

3

1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3

−0.015

−0.01

−0.005 0 0.005 0.01 0.015

ρ+ a

β

c= 0

|c| 6= 0 klein

Abbildung 7.8: St¨orung der Kurve ρ+ = aa22+2+1 f¨ur |c| 6= 0 klein – 3D-Ansicht.

mit dem vorherigen cberechneten Werte vonβ, a und m festiteriert wird.

Abbildung 7.7 beantwortet die Frage, was passiert, wenn wir den Parametercleicht von der Null weg st¨oren: Es entsteht eine Schar von Kurven, auf welcher die Lopa-tinski-Determinante ∆a,ρ+,cverschwindet mit α= Re(λ) = 0. Dabei korrespondiert die rote Kurve zu derjenigen aus Abbildung 7.5 im Fall c = 0. Was mit dem Ima-gin¨arteil β = Im(λ) des Spektralparameters passiert, ist in Abbildung 7.8 zu sehen:

Dieser ist im Fallc6= 0 nicht mehr trivial.

Des Weiteren halten wir Folgendes fest:

• Im Fall c= 0 hatten wir die ¨Aquivalenz

a,ρ+,0(0,1) = 0 ⇔ ∆a,ρ+,0(0,−1) = 0

f¨ur den Nulleigenwert λ= 0. Diese Symmetrie spaltet sich f¨ur c6= 0 auf in

a,ρ+,c(iβ,1) = 0 ⇔ ∆a,ρ+,c(−iβ,−1) = 0 mit β 6≡0.

• Im a-ρ+-Schaubild (vgl. Abbildung 7.9 oben) entsprechen die Kurven mit c exakt denjenigen mit −c.

• Im a-β-Schaubild (vgl. Abbildung 7.9 unten) entsprechen die Kurven mit c exakt denjenigen mit −can der roten Kurve gespiegelt.

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

• S¨amtliche Kurven sind definiert f¨ur a≥amin(c) mit einem minimalenamin(c), welches vom Parameter cabh¨angt.

Insgesamt erhalten wir als Ergebnis die folgende

7.23 Numerische Beobachtung. Es existieren ein ε > 0 und zwei glatte Funk-tionen R und γ mit

R =R(a, c), gerade in c und R(a,0) = a2+ 2

a2+ 1 sowie γ =γ(a, c), ungerade in c

und dem gemeinsamen Definitionsbereich

ε ={(a, c) :a≥amin(c),−ε < c < ε}, so dass gilt:

a,R(a,c),c(±iγ(a, c),±1) = 0

7.2 Nicht-parallele Lax-Schocks

−3 −2 −1 0 1 2 3

x 10−3 1.29

1.3 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39

c

R

−3 −2 −1 0 1 2 3

x 10−3

−0.08

−0.06

−0.04

−0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

c

γ

Abbildung 7.10: Die FunktionenR (links) und γ (rechts) zum Werta = 1.25.

f¨ur alle c∈(−ε, ε) und a ≥amin(c).

Als zus¨atzliche Best¨atigung f¨ur diese Beobachtung visualisieren wir f¨ur den Wert a = 1.25 die beiden Funktionen R(a,·) und γ(a,·) in einem Schaubild, vgl. Abbil-dung 7.10. F¨ur deren Berechnung wurde das Problem (7-23) bez¨uglich β, m und c fortgesetzt mit fixiertenα= 0 und a= 1.25.

Auftreten instabiler Schock-L¨osungen:

Wir setzen jetzt (7-23) bez¨uglichα,βundafort (mit fixiertenmundc), interessieren uns also insbesondere f¨ur das Verhalten des Realteilsα des Spektralparameters λ.

Wir beginnen zun¨achst mit der Untersuchung von parallelen Schocks, betrachten demnach c = 0. F¨ur den Parameter m setzen wir wie gewohnt m = q

a2+2 a2+1 und beginnen die Rechnungen auf der roten Kurve aus Abbildung 7.8 zu verschiedenen 1.5 ≤ a0 ≤ 3 als Startwerte f¨ur den Parameter a. Das Ergebnis ist in Abbildung 7.11 zu sehen.

Wir halten Folgendes fest:

• Die gr¨unen Kurven stehen f¨ur instabile paralleleLax-Schocks (f¨ur den Realteil des Spektralparameters gilt α= Re(λ)>0).

• Der Imagin¨arteil β des Spektralparameters λ ist bei s¨amtlichen Rechnungen im Fall c= 0 identisch Null.

• Die Berechnungen entsprechen den bisherigen Ergebnissen f¨ur den parallelen Lax-Schock: Es existieren lediglich rein reelle instabile Eigenwerteλ.

Kommen wir nun zu nicht-parallelen Schock-L¨osungen. Hier setzen wir beispielhaft c= 0.01 und beginnen die Rechnungen auf der oberen bzw. unteren mittleren blauen Kurve in Abbildung 7.8, je nachdem ob wir ω2 = 1 oder ω2 =−1 nehmen. Wie im

1.5

2

2.5

3

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

ρ+ a

α

α= 0 α>0

Abbildung 7.11: Auftreten instabiler Schock-L¨osungen f¨ur den parallelen Lax -Schock (c= 0).

Fallc= 0 w¨ahlen wir verschiedene 1.5≤a0 ≤3 sowie jeweilsα= 0 als Startwerte f¨ur den Parameterabzw. den Realteil des Spektralparameters. Die Startwerte f¨urβ 6≡0 sowie der jeweils fixierte Wert f¨ur m sind durch die Rechnungen aus Abbildung 7.8 gegeben. Die Resultate sind in den Abbildungen 7.12 (ω2 = 1) und 7.13 (ω2 =−1) sowie 7.14 zu sehen.

Wir halten fest:

• Die gr¨unen (Realteil des Spektralparameters) und magentafarbenen (Ima-gin¨arteil des Spektralparameters) Kurven stehen f¨ur instabile nicht-parallele Lax-Schocks.

• Die Realteile des Spektralparameters sind f¨ur ω2 = 1 und ω2 =−1 identisch.

Der Imagin¨arteil des Spektralparameters f¨ur ω2 = 1 entspricht demjenigen f¨ur ω2 =−1 mit negativem Vorzeichen, und ist insbesondere nicht mehr identisch Null.

• Die Druckkomponente ρ+ ist w¨ahrend den Rechnungen jeweils konstant, vgl.

Abbildung 7.14:

– Links: 2D-Ansicht im a-ρ+-Schaubild f¨ur den Realteil des Spektralpara-meters (ω2 =±1).

7.3 Fazit f¨ur den langsamen Lax-Schock

1.5

2

2.5

3

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

ρ+ a

α

α= 0 α>0

1.5 2 2.5 3

1 1.2 1.4

−0.02

−0.015

−0.01

−0.005 0 0.005 0.01

ρ+ a

β

α= 0 α>0

Abbildung 7.12: Auftreten instabiler Schock-L¨osungen f¨ur den nicht-parallelenLax -Schock (c= 0.01): links der Realteil und rechts der Imagin¨arteil des Spektralparameters – ω2 = 1.

– Rechts: 2D-Ansicht ima-ρ+-Schaubild f¨ur den Imagin¨arteil des Spektral-parameters (ω2 =±1).

Insgesamt erhalten wir in Bezug auf das Auftreten instabiler nicht-paralleler lang-samerLax-Schocks folgende

7.24 Numerische Beobachtung. Es existieren ein δ >0und eine glatte Funktion ζ+iη: Ωε×[0, δ)→C mit

ζ(a0, c,0) = 0, η(a0, c,0) =γ(a0, c) und ζ(a0, c, t)>0 f¨ur t >0,

so dass gilt:

a0+t,R(a0,c),c(ζ(a0, c, t)±iη(a0, c, t),±1) = 0 f¨ur alle t ∈[0, δ). Das bedeutet: F¨ur t >0 ist

λ =ζ±iη ein instabiler Eigenwert f¨ur ω2 =±1.

7.3 Fazit f¨ ur den langsamen Lax-Schock

Als Fazit f¨ur den langsamen Lax-Schock k¨onnen wir aufgrund der gemachten Un-tersuchungen Folgendes festhalten:

• Parallele Schocks (c = 0) besitzen reelle Eigenwerteλ ≥ 0. In Bezug auf die Parameter a und ρ+ gilt hierbei:

λ = 0, falls ρ+ = a2+ 2 a2+ 1,

1.5

Abbildung 7.13: Auftreten instabiler Schock-L¨osungen f¨ur den nicht-parallelenLax -Schock (c= 0.01): links der Realteil und rechts der Imagin¨arteil des Spektralparameters – ω2 =−1.

λ ist reell mitλ >0, falls ρ+ > a2+ 2 a2+ 1.

• Nicht-parallele Schocks (c6= 0) generieren – ausgehend vom parallelen Schock – Eigenwerte λ mit nicht-trivialem Imagin¨arteil des Spektralparameters. Dabei sind folgende Konstellationen m¨oglich:

– λ ∈iR, d. h., der Eigenwert ist rein imagin¨ar (vgl. Numerische Beobach-tung 7.23),

– λ ∈ C, d. h., der Eigenwert ist voll komplex mit Re(λ) > 0 f¨ur t > 0, also insbesondere instabil (vgl. Numerische Beobachtung 7.24).

Hierbei tritt λ jeweils als komplex konjugiertes Paar auf.

1.5 2 2.5 3

Abbildung 7.14: Konstanz des Drucks ρ+ w¨ahrend den Rechnungen f¨ur c = 0.01 und ω2 = ±1: links der Realteil und rechts der Imagin¨arteil des Spektralparameters – 2D-Ansichten.

Zusammenfassung

Der erste Teil dieser Dissertation behandelt die numerische Berechnung derEvans -Funktion im Kontext der Stabilit¨atsanalyse von Travelling Waves auf Basis eines Eigenwertproblems, welches als System erster Ordnung die Grundlage zur Definition derEvans-Funktion bildet. Aus Sicht der Numerik sind hierbei die folgenden beiden Punkte zu beachten: (i) Die Sicherstellung der Analytizit¨at derEvans-Funktion im komplexen Spektralparameter und (ii) die unterschiedlichen Wachstumsraten beim L¨osen des Eigenwertproblems. Beide Punkte betreffen – wenn auch aus unterschied-licher Sichtweise – die numerische Fortsetzung von Unterr¨aumen, und zwar im Fall (i) bez¨uglich des Spektralparameters und im Fall (ii) bez¨uglich der mitbewegten Koordinate der Travelling Wave. Problem (i) wird gel¨ost durch einen Algorithmus, welcher auf dem Satz ¨uber implizite Funktionen basiert und die Analytizit¨at im Spektralparameter sichert. Eine L¨osung f¨ur Problem (ii) ergibt sich, in dem das zu-grunde liegende Eigenwertproblem auf die komplexeStiefel-Mannigfaltigkeit pro-jiziert wird, um anschließend als Differential-algebraische Gleichung mit der passen-den Orthogonalit¨atsbedingung gel¨ost zu werpassen-den. Die praktische Umsetzung hierf¨ur wird mit einem Verfahren f¨ur Index-2-Probleme realisiert, dem sogenannten modifi-zierten SPARK-Newton-Verfahren. Vier Beispiele werden erfolgreich getestet zur Demonstration der in Teil I entwickelten numerischen Verfahren.

Teil II der vorliegenden Arbeit behandelt die Lopatinski-Determinante f¨ur das zweidimensionale ideale isotherme MHD-System. Die in diesem Zusammenhang auf Stabilit¨at zu untersuchenden Schock-L¨osungen sind die sogenannten langsamen und schnellen Lax-Schocks, welche die Rankine-Hugoniot-Bedingung erf¨ullen. Eine weitere Unterteilung dieser Schocks wird in parallel und nicht-parallel vorgenom-men. Parallele langsame Lax-Schocks generieren beim Nulleigenwert eine kritische Mannigfaltigkeit im Parameterraum in einer einfachen algebraischen Darstellung, was beim parallelen schnellen Lax-Schock nicht der Fall ist. Nicht-parallele langsa-me Lax-Schocks werden anschließend auf Basis der Ergebnisse des parallelenLax -Schocks untersucht. Hierbei spielt insbesondere die Numerik eine wichtige Rolle, da in diesem Fall f¨ur die Lopatinski-Determinante keine explizite Darstellung mehr realisierbar ist. Um die Glattheit der Lopatinski-Determinante in den auftreten-den Parametern zu sichern, muss das Konzept der Fortsetzung von Unterr¨aumen in die numerischen Verfahren mit eingearbeitet werden. Numerische Rechnungen zeigen, dass f¨ur nicht-parallele langsame Lax-Schocks ein instabiles Paar komplex konjugierter Eigenwerte existiert mit nicht-verschwindendem Imagin¨arteil.

Teil III

Anhang

A Grundlagen aus der linearen Algebra

In diesem Kapitel werden einige Definitionen und bekannte Sachverhalte aus der linearen Algebra zusammengefasst. Wir beginnen mit Eigenwerten und Eigenvekto-ren.

A.1 Definition. a) Das Spektrum einer Matrix A∈Cn×n ist definiert durch σ(A) :={µ∈C: det(A−µIn) = 0}.

Die algebraische Vielfachheit eines Eigenwertes µ ∈ σ(A) ist die Vielfach-heit der Nullstelle des charakteristischen Polynoms det(A−µIn) und wird mit ma(µ) bezeichnet.

b) F¨ur µ∈σ(A) ist der verallgemeinerte Eigenraum Eµ gegeben durch Eµ := ker (A−µIn)ma(µ)

. c) Eine Matrix A∈Cn×n heißt hyperbolisch, falls

σ(A)∩ {z ∈C: Re(z) = 0}=∅.

Das Konzept des verallgemeinerten Eigenraums spielt f¨ur die folgende Definition eine wichtige Rolle. Dabei verwenden wir f¨ur die direkte Summe zweier Vektorr¨aume die

¨

ubliche Bezeichnung ⊕.

A.2 Definition. Sei A∈Cn×n eine beliebige Matrix. Dann heißen σs(A) := {µ∈σ(A) : Re(µ)<0} und Es := M

µσs(A)

Eµ

das stabile Spektrum und der stabile Unterraum von A. Analog sind σu(A) :={µ∈σ(A) : Re(µ)>0} und Eu := M

µσu(A)

Eµ

das instabile Spektrum und der instabile Unterraum vonA.

Als Konsequenz dieser Definition erhalten wir folgende beide Sachverhalte (vgl. z. B.

Proposition 2.1.20 in dem Buch von Kapitula und Promislow[37]):

• F¨ur eine MatrixA∈Cn×ngilt eEs/u ⊂Es/uf¨ur alleξ∈R; deswegen spricht man in diesem Zusammenhang auch von invarianten Unterr¨aumen.

• Falls A zus¨atzlich hyperbolisch ist, so gilt Cn =Es⊕Eu.

A.3 Definition. F¨ur A∈Cn×n heißt ein Vektor 06=y ∈Cn Linkseigenvektor von A, falls es ein µ∈C gibt mit

yA=µy.

A.4 Bemerkung. a) Ist(µ, y)ein Linkseigenpaar vonA, so ist(¯µ, y)ein Rechts-eigenpaar von A und umgekehrt, denn es gilt

yA=µy ⇔ Ay= ¯µy.

b) Sind (λ, x) ein Rechts- und (µ, y) ein Linkseigenpaar vonA und gilt λ6=µ, so folgt

hx, yi=xy= 0, denn

(µ−λ)hy, xi=hµy, x¯ i − hy, λxi=hAy, xi − hy, Axi=hy, Axi − hy, Axi= 0

λ6

⇒ hy, xi= 0 ⇒ hx, yi= 0.

c) Sei A∈Cn×n gegeben mit einem vollen Satz von Rechtseigenvektoren, d. h., es gibt eine Diagonalmatrix D (aus Eigenwerten von A) mit

R1AR=D.

Dabei sind die Spalten von R die Rechtseigenvektoren von A. Schreiben wir dies um, so gilt

LA=DL,

mit L:= (R1). D. h., nach Definition bilden die Spalten von L einen vollen Satz von Linkseigenvektoren von A und es gilt

LR =R1R=In.

Jetzt wollen wir uns kurz um die L¨osbarkeit der sogenanntenSylvester-Gleichung k¨ummern. Diese hat die Form

AX−XB =C

mit Matrizen A ∈ Cn×n, B ∈ Cm×m und C ∈ Cn×m. Dazu betrachten wir den linearen Operator

T :Cn×m →Cn×m, X 7→AX−XB.

A.5 Satz. Der lineare Operator T ist invertierbar genau dann, wenn σ(A)∩σ(B) =∅.

Ein Beweis dieses Satzes findet sich z. B. im Buch vonStewartund Sun(Theorem 1.3 auf Seite 222).[59]

Zum Schluss dieses Kapitels besch¨aftigen wir uns noch kurz mit demKronecker -Produkt zweier Matrizen.

A.6 Definition. F¨ur zwei MatrizenA ∈Rm×n und B ∈Rp×r heißt

A⊗B :=



a11B . . . a1nB ... . ..

am1B . . . amnB

∈Rmp×nr

das Kronecker-Produkt.

Wir fassen die wichtigsten Eigenschaften davon in folgendem Lemma zusammen.

Ein Beweis dazu ist z. B. in dem Buch von Steeb und Hardy[58] zu finden.

A.7 Lemma. Es gelten folgende Rechenregeln f¨ur das Kronecker-Produkt:

a) (A+B)⊗C =A⊗C+B⊗C, b) (AC)⊗(BD) = (A⊗B)(C⊗D), c) (A⊗B)T =AT ⊗BT.

d) Sind A, B quadratisch und invertierbar, so gilt (A⊗B)1 =A1⊗B1.

B Parameterabh¨ angige Matrizen

In diesem Kapitel geht es um Matrizen A ∈ Cn×n, welche glatt von einem reellen oder komplexen Parameter abh¨angen.

B.1 Fortsetzung von Unterr¨ aumen