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MASTER ''Mathematical Modelling''

Ecole Polytechnique and University Pierre et Marie Curie (Paris 6)

Master University Pierre et Marie Curie (Paris 6) ---------------------- Master Ecole Polytechnique

M2 (second year): course taught by G. Allaire for the academic year 2017-2018

Theoretical and Numerical Analysis of Hyperbolic Systems of Conservation Laws

This course is devoted to hyperbolic systems of conservation laws, the most famous example of which is gaz dynamic (studied during the course). Both theoretical and numerical aspects are emphasized during each class of three hours. There are therefore a double table of contents which are followed in parallel.

Theoretical part

  • Mathematical introduction : conservation laws and first order partial differential equations, motivation and physical examples, hyperbolicity of systems, finite time blow-up of smooth solutions, notion of weak solutions, Rankine-Hugoniot jump conditions, shock and rarefaction waves, entropy conditions.
  • Theoretical analysis of scalar equations : a brief account of existence and uniqueness, Riemann problem.
  • Theoretical analysis of system of equations : entropy, symmetrizability, constant coefficient linear systems, definition of wave types, truly non linear fields and linearly degenerate fields, Lax criterion, Riemann problem.
  • Gaz dynamic : entropy and thermodynamic, isentropic model, lagrangian formulation, a brief account of how to solve the Riemann problem.
  • Numerical part

  • Numerical introduction : Finite differences, stability, consistency and accuracy of numerical schemes, conservative schemes, Lax-Wendroff theorem.
  • Numerical schemes for scalar equations : 1-D Godunov method, monotone and entropic schemes, second order TVD schemes, Van Leer MUSCL method.
  • Numerical schemes for systems of equations : centred schemes, flux spliting schemes, Godunov and Godunov-type schemes (with exact or approximated solver of the Riemann problem), Roe scheme, second order schemes and the MUSCL method of Van Leer.
  • Written exams of the previous years :  2010 (postscript files). More exams in French: there.

    Bibliography

  • E. Godlewski, P.A. Raviart, Hyperbolic systems of conservation laws , Collection Mathématiques et Applications de la SMAI, Ellipses, Paris (1991)
  • E. Godlewski, P.A. Raviart, Numerical approximation of hyperbolic systems of conservation laws , Springer, New York (1996).
  • E. Toro, Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics , Springer, Berlin (1999).
  • R. LeVeque, Finite volume methods for hyperbolic problems , Cambridge University Press (2002).
  • B. Després, F. Dubois, Systèmes hyperboliques de lois de conservation. Application à la dynamique des gaz , Editions de l'Ecole Polytechnique (2005).
  • C. Dafermos, Hyperbolic Conservation Laws in Continuum Physics , Springer, Berlin (2005).

  • Computer programs

    Below is a list of a few simple programs, written in SCILAB (freely distributed by INRIA ; see Scilab ) which are illustrative of this course. These routines come with no warranty. Thank you for reporting any bug to gregoire.allaire_AT_polytechnique.fr ).

    List of SCILAB routines.

  • Sur la nécessité de l'hyperbolicité des systèmes de lois de conservation  hyperb.sce avec le sous-programme  shiftp.sci
  • Divers schémas sur l'équation de transport linéaire en 1-D  transp.sce avec les sous-programmes  soltr.sci et  shiftp.sci
  • Divers schémas sur l'équation de Burgers en 1-D avec donnée initiale régulière et condition aux limites périodiques  burgers0.sce avec le sous-programme  shiftp.sci
  • Divers schémas sur l'équation de Burgers en 1-D pour le problème de Riemann  burgers.sce avec les sous-programmes  solbu.sci et  shiftn.sci
  • Comparaison de schémas sur l'équation de Burgers en 1-D  compar.sce avec le sous-programme  shiftn.sci
  • Convergence par raffinement de maillage de schémas sur l'équation de Burgers en 1-D  rafin.sce avec le sous-programme  shiftp.sci
  • Résolution du problème de Riemann pour un flux non-convexe  nonconv.sce avec le sous-programme  shiftn.sci
  • Résolution du problème de Riemann pour les équations d'Euler de la dynamique des gaz par divers schémas  euler.sce avec les sous-programmes  shiftn.sci  flux.sci et  fluvl.sci
  • Quelques problèmes de Riemann pour les équations d'Euler de la dynamique des gaz  riemann.sce avec le sous-programme  shiftn.sci
  • Schéma de Roe pour les équations d'Euler (sans et avec correction entropique)  roe.sce avec le sous-programme  shiftn.sci
  • Divers schémas sur l'équation de transport linéaire en 2-D ,compcrqison de schémas vraiment 2-D avec des schémas par directions alternées)  bidim.sce avec le sous-programme  shiftp2d.sci