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Stabilit¨at von Schock-L¨osungen – die Lopatinski-Determinante

Wir interessieren uns f¨ur die (nichtlineare) Stabilit¨at von Schock-L¨osungen der Form (5-2) f¨ur den Fall l = 0. Wie auch bei der Evans-Funktion machen wir den An-satz der Linearisierung um (5-2): Wir folgen der Arbeit von Freist¨uhler und Plaza[19] und linearisieren in diesem Fall sowohl die Gleichung (5-1) als auch die Sprungbedingung (5-3) um die Schock-L¨osung.

5.2 Stabilit¨at von Schock-L¨osungen – die Lopatinski-Determinante

Zun¨achst schreiben wir (5-3) mithilfe vonφ(x, t) := x·N−stkompakt in der Form h(U+, U,−φt(x, t),∇xφ(x, t)) = 0,

wobeih(U+, U, s, N) :=−s[U] + [f(U)]N. Damit lautet das linearisierte Problem Wt±+

Xd

j=1

Aj(U±)Wx±j = 0, f¨ur x·N −st≷0, (dU+h)W++ (dUh)W−(dsh)ψt+ (dNh)∇xψ = 0, f¨ur x·N −st= 0.

(5-5)

Dabei sind

dU+h:= ∂

∂U+h(U+, U, s, N), dUh:= ∂

∂Uh(U+, U, s, N), dsh:= ∂

∂sh(U+, U, s, N), dNh:= ∂

∂Nh(U+, U, s, N) die partiellen Ableitungen vonh nachU+, U, s bzw. N.

Die Gleichungen (5-5) beschreiben also ein Problem mit abschnittsweise konstanten Koeffizienten. Wie ¨ublich macht man im linearisierten Fall einen Exponentialansatz f¨ur die gesuchten Gr¨oßenW± und ψ, und zwar folgenden Fourier-Moden-Ansatz:

W±(x, t) = ˆW±(x·N −st) e·x+λt, x·N −st≷0, ψ(x, t) = ˆψe·x+λt, ψˆ≡const

mit einem komplexen Parameterλ ∈Cund der Bedingung ω·N = 0.

5.4 Bemerkung. Die Bedingungω·N = 0 bedeutet, dass der St¨orungsansatz im Ort senkrecht zur Ausbreitungsrichtung N der Schockwelle ist. Die Gr¨oße ψ beschreibt in diesem Ansatz die gest¨orte Position der Sprungstelle bei x·N −st= 0.

Setzen wirW± und ψ mit diesem Ansatz in (5-5) ein, so erhalten wir e·x+λt −s

±

+λWˆ±+ Xd

j=1

Aj(U±)

Nj

±

+iωj±

!

= 0 f¨urx·N −st≷0 und

e·x+λt

(dU+h) ˆW++ (dUh) ˆW−(dsh)(λψ) + (dˆ Nh) iψωˆ

= 0

f¨urx·N−st= 0. Dies kann mitξ =x·N−st¨aquivalent umgeschrieben werden zu λWˆ±+ A(N, U±)−sIn±

+iA(ω, U±) ˆW±= 0, ξ ≷0, (dU+h) ˆW+(0) + (dUh) ˆW(0) + ˆψ(−λ(dsh) +i(dNh)ω) = 0.

(5-6)

Die erste Zeile des Systems (5-6) definiert zwei gew¨ohnliche Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten in der unabh¨angigen Variablen ξ (einmal f¨ur ξ > 0 und einmal f¨urξ <0), denn mit

±:= A(N, U±)−sIn

1

λIn+iA(ω, U±) wird aus der ersten Zeile in (5-6)

±

(ξ) = −L˜±±(ξ), ξ ≷0, (5-7) d. h. abschnittsweise f¨ur ξ > 0 bzw. ξ < 0 eine autonome Differentialgleichung.1 Dabei ist zu beachten, dass nach der Annahme (5-4)skein Eigenwert vonA(N, U±) ist und damit die Matrix (A(N, U±)−sIn)1 existiert.

Wir suchen nichttriviale beschr¨ankte L¨osungen

+: [0,∞)→Cn, Wˆ : (−∞,0]→Cn

der gew¨ohnlichen Differentialgleichung (5-7) f¨ur ξ≥0 bzw.ξ ≤0, d. h., wir ben¨oti-gen Anfangswerte von ˆW± mit der Bedingung

+(0) ∈Span R˜+u

, Wˆ(0) ∈Span R˜s

,

wobei ˜R+u und ˜Rs Matrizen sind, deren Spalten den instabilen bzw. stabilen Unter-raum von ˜L+ bzw. ˜L aufspannen.

5.5 Bemerkung. a) Die Matrizen R˜+u und R˜s h¨angen nach Konstruktion so-wohl vom Spektralparameter λ als auch von ω ab.

b) Dass der instabile Unterraum mit

”+“ und der stabile Unterraum mit

”-“ – al-so im Gegensatz zu den Bezeichnungen bei der Evans-Funktion – identifiziert wird, ist der Tatsache geschuldet, dass in (5-7) vor dem L˜± ein Minuszeichen steht.

Damit kommen wir zur zentralen Stabilit¨atsbedingung – der sogenanntengleichm¨ a-ßigen Lopatinski-Bedingung – f¨ur unseren Fourier-Moden-Ansatz:[19,49,50]

1Wie im Teil ¨uber dieEvans-Funktion bezeichnen wir dieses System erster Ordnung als Eigen-wertproblem bez¨uglich dem Parameterλ.

5.2 Stabilit¨at von Schock-L¨osungen – die Lopatinski-Determinante

F¨ur alle (λ, ω)∈C×Rd mit Re(λ)≥0 und ω·N = 0 gilt

∆(λ, ω) := det

(dUh) ˜Rs(λ, ω),−λ(dsh) +i(dNh)ω,(dU+h) ˜R+u(λ, ω)

6

= 0.

Dies bedeutet, dass es f¨ur jedes Paar

+,Wˆ

∈ Span R˜+u

×Span R˜s

mit Re(λ)≥0 keine L¨osung ˆψ zu (5-6) gibt.

5.6 Bemerkung. a) F¨ur die Definition von ∆ setzen wir voraus, dass

(dUh) ˜Rs(λ, ω),−λ(dsh) +i(dNh)ω,(dU+h) ˜R+u(λ, ω) eine n×n-Matrix ist.

b) Die Determinante ∆ ist homogen vom Grad 1 in (λ, ω), d. h., es gilt f¨ur ein ν ∈R

∆(νλ, νω) = ν∆(λ, ω).

c) Der (in)stabile Unterraum von L˜± ist nach Konstruktion unabh¨angig von der Variablen ξ. Damit ist auch die Berechnung der zugeh¨origen Basen R˜±u,s und somit die von∆(λ, ω)unabh¨angig vonξ. Dies ist insbesondere aus numerischer Sicht interessant, da dadurch im Vergleich zur Evans-Funktion das Problem der Steifheit entf¨allt und die Berechnung von ∆(λ, ω) vereinfacht wird.

Wir schreiben die n×n-Matrix in der Determinante ∆(λ, ω) noch um, damit sie eine einfachere Gestalt bekommt. Dazu rechnen wir nach:

dUh= ∂

∂U (−s[U] + [f(U)]N)

= ∂

∂U −s(U+−U) + (f(U+)−f(U))N

= ∂

∂U −s(U+−U) + Xd

j=1

(fj(U+)−fj(U))Nj

!

=sIn− Xd

j=1

Aj(U)Nj

=sIn−A(N, U) und analog

dU+h=−sIn+A(N, U+), dsh=−[U],

dNh= [f(U)].

Das bedeutet, um die Determinante ∆(λ, ω) auszurechnen, m¨ussten wir sowohl (sIn−A(N, U)) ˜Rs(λ, ω) als auch (−sIn+A(N, U+)) ˜R+u(λ, ω) berechnen. Um dies zu vermeiden, f¨uhren wir folgende ¨Ahnlichkeitstransformationen f¨ur die Ma-trizen ˜L und ˜L+ durch:

L:= sIn−A(N, U)L˜ sIn−A(N, U)1

= A(N, U)−sIn

A(N, U)−sIn

1

(λIn+iA(ω, U)) A(N, U)−sIn

1

= (λIn+iA(ω, U)) A(N, U)−sIn

1

sowie L+:= −sIn+A(N, U+)L˜+ −sIn+A(N, U+)1

= A(N, U+)−sIn

A(N, U+)−sIn

1

(λIn+iA(ω, U+)) A(N, U+)−sIn

1

= (λIn+iA(ω, U+)) A(N, U+)−sIn

1

. Damit erreichen wir

Span Rs

= sIn−A(N, U)

Span R˜s

bzw.

Span R+u

= −sIn+A(N, U+)

Span R˜+u

,

wobei die Spalten von Rs den stabilen Unterraum von L und die Spalten von R+u den instabilen Unterraum von L+ aufspannen. F¨ur die Berechnung von ∆(λ, ω) bedeutet diese Umformung:

∆(λ, ω) = det Rs(λ, ω), J(λ, ω), R+u(λ, ω)

, (5-8)

wobei

J(λ, ω) := λ[U] +i[f(U)]ω

der Sprungvektor f¨ur die Sprungbedingung bei ξ=x·N −st= 0 ist.

5.7 Definition(Lopatinski-Determinante). Die Determinante in (5-8) bezeichnet man als Lopatinski-Determinante.

In der vorliegenden Arbeit steht in diesem Zusammenhang die Analyse der Gleichung

∆(λ, ω) = 0 (5-9)

mit ω · N = 0 f¨ur Schock-L¨osungen vom Lax-Typ im Fokus. Dabei bezeichnen wir in Analogie zur Evans-Funktion den Parameter λ als Eigenwert. Im Falle der Existenz einer Nullstelle (λ, ω) von (5-9) mit Re(λ)>0 erhalten wir eine exponen-tiell wachsende Mode W+ bzw. W und damit Instabilit¨at der zugrunde liegenden Schock-L¨osung. Genau darum geht es in den folgenden zwei Kapiteln, in welchen die Gleichung (5-9) f¨ur dieLopatinski-Determinante des zweidimensionalen idealen isothermen MHD-Systems untersucht wird.

6 Das zweidimensionale ideale isotherme MHD-System

Dieses Kapitel behandelt konkret ein Problem der Form (5-1), und zwar das des idealen isothermen MHD-Systems in zwei Raumvariablenx= (x1, x2)∈R2:

0 = ρt+ div(ρV), 0 = (ρV)t+ div

ρV ⊗V +

p+1 2|B|2

I2−B⊗B

, 0 = Bt+ div(B⊗V −V ⊗B),

(6-1)

wobei hier

V ⊗B :=

v1b1 v1b2

v2b1 v2b2

, div (V ⊗B) :=

(v1b1)x1 + (v1b2)x2

(v2b1)x1 + (v2b2)x2

. Die abh¨angigen Variablen in (6-1) sind

• die Dichte ρ >0,

• der Druck p > 0,

• das Geschwindigkeitsfeld V = v1

v2

∈R2 und

• das Magnetfeld B = b1

b2

∈R2

des Fluids. Zudem fordern wir die Divergenzfreiheit des VektorfeldesB:

div(B) = 0.

Des Weiteren wird angenommen, dass das Fluid

”polytropisch“ ist, d. h., der Druck steht zur Dichte in der Beziehung

p=RρT

mit einer Konstanten R und der Temperatur T, welche als konstant angenommen wird, so dass

p=c2ρ

gilt, wobei c die Schallgeschwindigkeit ist. Mittels Skalierung k¨onnen wir deswegen ohne Einschr¨ankung die Gleichheit

p=ρ

annehmen, d. h., die Schallgeschwindigkeit betr¨agt 1. Weitere Details und Hinter-gr¨unde zur Gleichung (6-1) sind z. B. in den B¨uchern vonCabannes[11]und Jack-son[31] zu finden.

6.1 Das MHD-System in konservativer und symmetrischer Form

so l¨asst sich (6-1) in der konservativen Form

Ut+f1(U)x1 +f2(U)x2 = 0 (6-2) gem¨aß (5-1) schreiben, denn:

ρt+ div(ρV) = ρt+ (ρv1)x1 + (ρv2)x2 = (Ut)1+ (f1(U)x1)1+ (f2(U)x2)1,

6.1 Das MHD-System in konservativer und symmetrischer Form Problems auch schreiben als

Ut+ ˆA1(U)Ux1 + ˆA2(U)Ux2 = 0 (6-3) mit reellen, nicht-symmetrischen 5×5-Matrizen1

1(U) =

6.1 Bemerkung. Aufgrund der Divergenzfreiheit div(B) = 0 des Magnetfeldes B ist die Darstellung von (6-2) bzw. (6-3) mittels obigen f1 und f2 nicht eindeutig.

Wir wollen in Abschnitt 6.3 f¨ur das System (6-3) die Lopatinski-Determinante angeben. Da wir aber – wie wir sehen werden – die Invertierbarkeit von ˆA1 an der StelleU± br¨auchten, schreiben wir das System (6-3) unter der Bedingung

div(B) = b1x1 +b2x2 = 0

1Hierbei wurden die Formelzeilen zus¨atzlich mit einem * markiert. Diese und auch die im Fol-genden mit einem * markierten Formelzeilen werden aus ¨Ubersichtsgr¨unden erst im Anhang D bewiesen.

0 =Ut+ ˆA1(U)Ux1 + ˆA2(U)Ux2 +

F¨ur die Darstellung derLopatinski-Determinante ist es ¨ublich, die Gleichung (6-6) weiter umzuformen, und zwar in einsymmetrisch hyperbolisches System. Dazu definieren wir die

6.1 Das MHD-System in konservativer und symmetrischer Form

Diese liegt einer TransformationS :R5 →R5, ˜U 7→U zugrunde mit der Ableitung

T( ˜U) :=S( ˜U) = dU

F¨ur die symmetrische Variante von (6-6) f¨uhren wir weiter die symmetrischen Ma-trizen

ein. Damit k¨onnen wir (6-6) weiter ¨aquivalent umformen:

0 =Ut+A1(U)Ux1 +A2(U)Ux2

erhalten wir schließlich die symmetrisch hyperbolische Darstellung des zweidimen-sionalen MHD-Systems:[24,45]

0 = ˜A0( ˜U) ˜Ut+ ˜A1( ˜U) ˜Ux1 + ˜A2( ˜U) ˜Ux2.

Die obigen Rechnungen halten wir als Ergebnis in folgendem Korollar fest.

6.2 Korollar. Das zweidimensionale MHD-System (6-1) ist unter der Bedingung div(B) = 0

zu den folgenden drei Gleichungen ¨aquivalent:

(i) Ut+f1(U)x1 +f2(U)x2 = 0, (ii) Ut+A1(U)Ux1 +A2(U)Ux2 = 0, (iii) A˜0( ˜U) ˜Ut+ ˜A1( ˜U) ˜Ux1 + ˜A2( ˜U) ˜Ux2 = 0.

6.2 Langsame und schnelle, parallele und