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Limite hydrodynamique de l’équation de Boltzmann pour des gaz granulaires dans un régime quasi-élastique

Fluid dynamic limit of Boltzmann equation for granular hard-spheres in a nearly elastic regime

Ricardo ALONSO, Bertrand LODS, Isabelle TRISTANI
Limite hydrodynamique de l’équation de Boltzmann pour des gaz granulaires dans un régime quasi-élastique
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  • Année : 2026
  • Tome : 189
  • Format : Électronique
  • Langue de l'ouvrage :
    Anglais
  • Class. Math. : 76P05; 35Q35, 82B40
  • Pages : 107-240
  • DOI : 10.24033/msmf.497

Dans cet article, nous fournissons la première dérivation rigoureuse d’équations hydrodynamiques à partir de l’équation de Boltzmann pour les sphères dures inélastiques avec faible inélasticité. Le système hydrodynamique que nous obtenons est un système de Navier-Stokes-Fourier incompressible avec des termes de forçage autoconsistants et, à notre connaissance, est donc le premier système hydrodynamique qui décrit correctement les écoulements granulaires rapides conformément à la formulation cinétique. Pour parvenir à ce résultat, nous écrivons l’équation de Boltzmann sous une forme adimensionnelle en utilisant le nombre de Knudsen qui est destiné à tendre vers 0 . Cette dérivation pr.sente plusieurs difficultés, la première provenant du fait que l’équation de Boltzmann originale dissipe l’énergie cinétique et le refroidissement libre du gaz nécessite un changement de variables auto-similaire pour introduire un état d’équilibre (spatialement homogène). Un tel état homogène n’est pas explicite et présente une queue lourde, ce qui constitue un obstacle majeur à l’adaptation des estimations d’énergie. En outre, comprendre la relation entre le coefficient de restitution, qui quantifie la perte d’énergie au niveau microscopique, et le nombre de Knudsen représente une importante difficulté. Ceci est réalisé en identifiant le bon régime quasi élastique  pour capturer un comportement hydrodynamique non trivial. Nous sommes alors en mesure de prouver la stabilité exponentielle uniformément par rapport au nombre de Knudsen pour les solutions de l’équation de Boltzmann remise à l’échelle dans un régime proche de l’équilibre. Enfin, nous prouvons que les solutions de l’équation de Boltzmann convergent dans un sens faible spécifique vers une limite hydrodynamique qui ne d.pend des variables de temps et d’espace qu’à travers des quantités macroscopiques. Ces quantités macroscopiques sont solutions d’une modification appropriée du système de Navier-Stokes-Fourier incompressible qui semble être nouveau dans ce contexte.

In this paper, we provide the first rigorous derivation of hydrodynamic equations from the Boltzmann equation for inelastic hard spheres with small inelasticity. The hydrodynamic system that we obtain is an incompressible Navier-Stokes-Fourier system with self-consistent forcing terms and, to our knowledge, it is thus the first hydrodynamic system that properly describes rapid granular flows consistently with the kinetic formulation. To this end, we write our Boltzmann equation in a non dimensional form using the dimensionless Knudsen number which is intended to be sent to 0 . There are several difficulties in such derivation, the first one coming from the fact that the original Boltzmann equation is free-cooling and, thus, requires a self-similar change of variables to introduce an homogeneous steady state. Such a homogeneous state is not explicit and is heavy-tailed, which is a major obstacle to adapting energy estimates. Additionally, a central challenge is to understand the relation between the restitution coefficient, which quantifies the energy loss at the microscopic level, and the Knudsen number. This is achieved by identifying the correct nearly elastic regime  to capture nontrivial hydrodynamic behavior. We are, then, able to prove exponential stability uniformly with respect to the Knudsen number for solutions of the rescaled Boltzmann equation in a close to equilibrium regime. Finally, we prove that solutions to the Boltzmann equation converge in a specific weak sense towards a hydrodynamic limit which depends on time and space variables only through macroscopic quantities. Such macroscopic quantities are solutions to a suitable modification of the incompressible Navier-Stokes-Fourier system which appears to be new in this context.

Inelastic Boltzmann equation, granular flows, nearly elastic regime, long-time asymptotic, incompressible Navier-Stokes hydrodynamical limit, Knudsen number

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