Solution analytique 2D advection-diffusion

Bonjour à tous,
Je cherche à calculer la solution analytique de l'équation d'advection-diffusion (simplifiée) à deux dimensions suivante. \begin{equation}

\frac{\partial C}{\partial t} + \lambda C+ u_x \frac{\partial C}{\partial x} + u_y \frac{\partial C}{\partial y} - D_x \frac{\partial^2 C}{\partial x^2} - D_y \frac{\partial^2 C}{\partial y^2} = 0,

\end{equation} $C$ a (par exemple) les dimensions d'une concentration $[ML^{-3}]$, les paramètres $\lambda>0$, $u_x$, $u_y$, $D_x>0$ et $D_y>0$ sont des constantes et ont les dimensions appropriées.
Les conditions initiales et aux limites sont les suivantes.
\begin{equation}
\begin{split}
C(|x|\leq x_0,|y|\leq y_0,t=0) &= C_0,\\
C(|x|=x_{L},y,t) &= 0, x_{L}>x_0>0,\\
C(x,|y|=y_{L},t) &= 0, y_{L}>y_0>0.
\end{split}

\end{equation} Première remarque, la condition $C(|x|\leq x_0, |y|\leq y_0, t=0) = C_0$ me semble compliquée à traiter telle quelle. Je pense donc la traiter en deux temps. Dans un premier temps considérer simplement $C(x=x_0,y=y_0,t=0) = C_0$ puis éventuellement intégrer la solution sur les intervalles correspondants. Est-ce une bonne idée ?
Après quelques recherches sur la manière de procéder, j'ai considéré une méthode de séparation des variables en posant $C(x,y,t)=X(x)Y(y)T(t)$.
\begin{equation}
\frac{1}{T}\frac{\partial T}{\partial t} + \lambda + u_x \frac{1}{X}\frac{\partial X}{\partial x} + u_y \frac{1}{Y}\frac{\partial Y}{\partial y} - D_x \frac{1}{X}\frac{\partial^2 X}{\partial x^2} - D_y \frac{1}{Y}\frac{\partial^2 Y}{\partial y^2} = 0.

\end{equation} Par application de la méthode de séparation des variables, trois fonctions ne dépendant pas de la même variable ne peuvent être égales qu'à des constantes, de sorte que $$
C_T+C_X+C_Y=0.
$$ La recherche des solutions $X$ et $Y$ des équations différentielles vont générer chacune deux constantes, par exemple $A$ et $B$ pour $X$ et $E$ et $F$ pour $Y$.
Premier constat, j'ai 6 équations et 7 inconnues. Les 6 équations sont : une pour $T$ avec la condition initiale, deux équations pour $X$ avec les deux conditions aux limites, deux équations pour $Y$ avec les deux conditions aux limites et enfin la relation entre les constantes $C_T+C_X+C_Y=0$. Je remarque qu'en divisant par l'une des constantes, cette dernière équation l'on peut sans doute se ramener à la détermination de deux constantes seulement. Je peux donc "choisir" $C_T=-1$ par exemple. Est-ce correct ?
Finalement, j'en arrive à mon problème, je ne parviens pas dans les conditions présentées à trouver des solutions $X$ et $Y$ qui satisfassent aux conditions aux limites autres que les solutions triviales $X=0$ et $Y=0$.
Je vous remercie pour votre aide.
Cordialement.

Réponses

  • Bonjour,
    En effet, avec des conditions aux limites assez quelconques, rien ne dit qu'il existe des solutions à variables séparés. L'équation est linéaire, on peut être tenté de s'en servir pour décomposer les solutions, je me permets donc deux petites précisions (mais assez évidentes, surtout la première, pardon si tu en étais déjà conscient).
    - Fais bien attention, avec des conditions aux limites affines mais avec des termes non nuls (Neumann, Dirichlet, Robin), l'espace des solutions est un espace affine mais pas linéaire.
    - Même si tu possèdes une "base" de solutions, son utilisation sera plus compliquée qu'avec ce qu'on peut faire dans des trucs "à la série de Fourier", parce que tu n'as pas nécessairement une forme sesquilinéaire adaptée (enfin... peut-être que si, mais si elle existe, ta "décomposition" passera par des formules plus subtiles qu'une simple intégration).
  • Merci pour votre réponse. J'ai bien noté vos remarques.

    En réfléchissant un peu, j'avais simplement conclu que des conditions aux limites imposant la quantité scalaire C=0 sur l'ensemble de la frontière du domaine, ne peuvent sans doute conduire qu'à des solutions nulles...

    Cependant, je note que sur Équation_de_la_chaleur les conditions aux limites en 1D sont très proches de celles choisies ici...

    Je ne comprends pas vraiment pourquoi le fait d'être en 2D devrait changer quelque chose...
    Cordialement.
  • J'ai trouvé la solution à travers la résolution de l'équation de la chaleur présentée ici pour des conditions aux limites similaires: http://ramanujan.math.trinity.edu/rdaileda/teach/s12/m3357/lectures/lecture_3_6_short.pdf .
    Il y a cependant des "choix" qui m'échappent. Par exemple, la solution d'une équation différentielle du deuxième ordre fait intervenir une exponentielle en facteur $f(x)=e^{ux}(A\cos(vx)+B\sin(vx))$ https://fr.wikipedia.org/wiki/Équation_différentielle_linéaire_d'ordre_deux . Pourquoi n'est-elle pas considérée ?
    Cordialement.
  • Salut
    Je résume l'idée pour être sûr qu'on parle de la même chose.

    Tu as un volume, l'équation, valide dans le volume, des conditions aux frontières suffisamment sympa (on va dire conditions de Robin). On dit que tu connais déjà la solution stationnaire et tu veux en plus "les modes propres" de l'équation dans le volume (à terme constant annulé dans les conditions aux limites). Car une fois tout cela connu, dès qu'on te propose une condition initiale, tu peux la décomposer sur "la base" de ta solution stationnaire et tes modes propres pour pouvoir calculer son évolution à l'aide de simples intégrations.
    C'est vrai qu'il y a du bon dans ce que tu as proposé, je suppose qu'en prenant $\vec{v}=\vec{e_x}\frac{u_x}{D_x} +\vec{u_y}{D_y}$, on devrait avoir des solutions de type $f_{\vec{k}}(\vec{x},t)=\alpha e^{(\vec? +i\vec{k})}\cdot \vec{x} - z_{\vec{k}} t $ valide dans le volume.
    Note bien : je n'ai pas fait de développements (la flemme), si ça se trouve, c'est faux, il faudra notamment donner la valeur de ce $z_{\vec{k}}$ en fonction des paramètres de l'équation et $\vec{k}$.
    Mais le problème c'est qu'en 2D, ces solutions ne collent pas nécessairement à ce que tu veux, les modes propres de ton système ne seront de ce type que s'il présente suffisamment de compatibilités (avec ces solutions "ondes planes", je pense que c'est démerdable avec quelque chose comme un volume rectangulaire, probablement avec un des axes parallèle à $\vec{v}$ et des conditions homogènes sur chaque côté).
    Si ton volume est par exemple un disque, les modes propres vont avoir des têtes très différentes.
  • Merci pour ta réponse.

    Je réalise en effet que tout doit être savamment orchestré pour coller à ce que l'on cherche. Certains choix ne trouvent leur justification que dans le suite du développement.

    Cordialement,
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