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Concept
Équation de Burgers
Résumé
L'équation de Burgers est une équation aux dérivées partielles issue de la mécanique des fluides. Elle apparaît dans divers domaines des mathématiques appliquées, comme la modélisation de la dynamique des gaz, de l'acoustique ou du trafic routier. Elle doit son nom à Johannes Martinus Burgers qui l'a discutée en 1948. Elle apparaît dans des travaux antérieurs du mathématicien Andrew Forsyth et d'Harry Bateman.
En notant u la vitesse, et ν le coefficient de viscosité cinématique, la forme générale de l'équation de Burgers est :
Quand ν = 0, l'équation de Burgers devient l'équation de Burgers sans viscosité :
La matrice jacobienne de cette équation se réduit à la quantité scalaire u, valeur réelle. Il s'agit donc d'une équation aux dérivées partielles hyperbolique. Elle peut donc comporter des discontinuités (ondes de choc).
La forme conservative de cette équation est :
On cherche une ligne caractéristique [x(s), t(s)] le long de laquelle l'équation de Burgers se réduit à une équation différentielle ordinaire. Calculons la dérivée de ν le long d'une telle courbe :
On identifie l'équation de Burgers en faisant (on suppose t(0) = 0):
Les caractéristiques dans le plan (x,t) sont des droites de pente ν le long desquelles la solution est constante.
La valeur en un point (x,t) s'obtient en "remontant" la caractéristique jusqu'à son origine x = x – ut. Cette valeur est u = u(x).
On peut donner une solution générale sous la forme
où f est une fonction quelconque de la variable w = x–ut.
On note
Si on reporte dans l'équation de Burgers il vient :
f est donc solution sauf si le second terme de l'équation s'annule.
La dérivée de u s'écrit :
La fonction u devient singulière pour 1 + tf = 0, point d'intersection des caractéristiques. Au-delà la solution régulière de l'équation n'a plus de sens physique puisque la solution est multivaluée.
Intégrons l'équation sous forme conservative de a à b :
Si u s'annule à deux bornes finies (problème périodique) ou infinies alors :
Dans un système fermé la quantité est conservée au cours du temps.
Source officielle
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