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Dynamique de plusieurs corps solides dans un fluide parfait bi-dimensionnel et convergence vers le système des points vortex

Dynamics of several rigid bodies in a two-dimensional ideal fluid and convergence to vortex systems

Olivier GLASS, Franck SUEUR
Dynamique de plusieurs corps solides dans un fluide parfait bi-dimensionnel et convergence vers le système des points vortex
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  • Année : 2026
  • Fascicule : 1
  • Tome : 154
  • Format : Électronique
  • Langue de l'ouvrage :
    Anglais
  • Class. Math. : 35Q31, 35Q70, 76D27
  • Pages : 1-106
  • DOI : 10.24033/bsmf.2917

Nous considérons le mouvement de plusieurs corps rigides dans une cavité remplie d'un fluide parfait incompressible en deux dimensions. Les corps rigides se déplacent selon les lois de Newton, sous l'influence de la pression du fluide. La dynamique du fluide est régie par les équations d'Euler incompressible 2D, qui sont posées sur le domaine, qui dépend du temps, correspondant à la cavité privée des domaines occupés par les solides. Nous supposons que la vorticité du fluide est initialement bornée et les circulations autour des solides peuvent être non nulles. L'existence d'une unique solution à la Yudovich, tant qu'il n'y a pas de collision, découle des arguments donnés dans [10]. Le résultat principal du papier est  d'identifier les dynamiques limites du système quand le rayon de certains des solides converge vers zéro, avec différents régimes, selon, pour chaque solide, le ratio de son inertie avec son rayon. Nous obtenons à la limite des systèmes de point vortex pour les solides convergeant vers des particules ponctuelles, une loi de type Newton pour les solides qui gardent leur rayon fixé et un système du type Euler incompressible pour le fluide. Ceci étend les travaux précédents: [7], qui traite le cas d'un seul corps solide, de rayon tendant vers zéro avec une masse positive fixée, immergé dans un fluide parfait incompressible occupant le reste du plan, [8], qui traite le cas d'un seul corps solide, dont le rayon et la masse tendent vers zéro avec une corrélation naturelle, immergé dans un fluide parfait incompressible occupant le reste du plan, et [9] qui traite du cas d'un seul corps solide, dans les deux régimes d'inertie précédents, immergé dans un fluide parfait incompressible occupant un domaine plan borné. 

En particulier nous considérons pour la première fois le cas de plusieurs petits corps solides, pour lequel la stratégie des papiers précédents ne semble pas s'adapter facilement, malgré les résultats  obtenus dans [6] dans le cas de solides de taille fixe. La difficult\'e principale est de comprendre l'interaction, par le biais du fluide, entre les différents solides. Un point crucial de notre stratégie est l'utilisation de formes normales pour les EDOs donnant la dynamique des solides dans une approche en deux temps. En premier lieu nous utilisons une forme normale pour le système couplant l'évolution en temps de tous les solides pour obtenir une estimation grossière de l'accélération des solides. Ensuite nous établissons des formes normales spécifiques à chaque solide, avec une modulation appropriée reliée à l'influence des autres solides et de la vorticité du fluide. Grâce à ces formes normales individuelles nous obtenons des estimées uniformes précises des vitesses des solides, et passons à la limite. Au cours de ce processus, nous établissons une estimée de la vitesse du fluide due aux solides, uniformément par rapport à leurs positions et  rayons, qui peut être considérée comme un raffinement de la méthode des réflexions pour un système div/curl avec circulations prescrites.

We consider the motion of several solids in a bounded cavity filled with a perfect incompressible fluid, in two dimensions. The solids move according to Newton's law, under the influence of the fluid's pressure. On the other hand the fluid dynamics is driven by the 2D incompressible Euler equations, which are set on the time-dependent domain corresponding to the cavity deprived of the sets occupied by the solids. We assume that the fluid vorticity is initially bounded and that the circulations around the solids may be non-zero. The existence of a unique corresponding solution, à la Yudovich, to this system, up to a possible collision, follows from the arguments in [10]. The main result of this paper is to identify the limit dynamics of the system when the radius of some of the solids converge to zero, in different regimes, depending on how, for each body, the inertia is scaled with the radius. We obtain in the limit some point vortex systems for the solids converging to particles and a form of Newton's law for the solids that have a fixed radius; for the fluid we obtain a Euler-type system. This extends the earlier work [7], which deals with the case of a single small heavy  body   immersed in an incompressible perfect fluid occupying the rest of the plane, [8], which deals with   the case of a single small light body  immersed in an incompressible perfect fluid occupying the rest of the plane, and [9], which deals with   the case of a single small, heavy or light,  body immersed in a irrotational incompressible perfect fluid occupying a bounded  plane domain.

In particular, we consider for the first time the case of several small rigid bodies, for which the strategy of the previous papers cannot be adapted straightforwardly, despite the partial results  recently obtained  in [6]. The main difficulty is to understand the interaction, through the fluid, between several moving solids. A crucial point of our strategy is the use of normal forms of the ODEs driving the motion of the solids in a two-steps process. First we use a normal form for the system coupling the time evolution of all the solids to obtain a rough estimate of the acceleration of the bodies. Then we turn to some normal forms that are specific to each small solid, with an appropriate modulation related to the influence of the other solids and of the fluid vorticity. Thanks to these individual normal forms we obtain some precise uniform a priori estimates of the velocities of the bodies and then pass to the limit. In the course of this process, we make use of another new main ingredient of this paper, which is an estimate of the fluid velocity with respect to the solids, uniformly with respect to their positions and radii, and which can be seen as a refinement of the reflection method for a div/curl system with prescribed circulations.

interactions fluide-solide, fluide parfait incompressible, système des points vortex
fluid-solid interactions, incompressible perfect fluid, vortex-wave system

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