Luận án tiến sĩ: Bài toán điều khiển tối ưu hệ phương trình Navier-Stokes-Voigt - ĐHSP Hà Nội
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt, đề xuất thuật toán mới và chứng minh tính hội tụ.
Luan An
Doctoral Dissertation
Năm xuất bản
Số trang
102
Thời gian đọc
16 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan hệ Navier-Stokes-Voigt và tính đặt chỉnh
- Số trang:
- 102 trang
- Trường:
- Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
- Chuyên ngành:
- Differential and Integral Equations
- Tác giả:
- Tran Minh Nguyet
- Năm:
- 2019
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan hệ Navier Stokes Voigt và tính đặt chỉnh
Hệ phương trình Navier-Stokes-Voigt mô tả chuyển động của chất lưu viscoelastic Kelvin-Voigt trong miền không gian ba chiều. Mô hình này bổ sung số hạng đạo hàm cấp cao theo thời gian vào phương trình Navier-Stokes cổ điển. Cấu trúc toán học đặc biệt này biến bài toán thành phương trình giả parabolic phi tuyến. Nghiên cứu tập trung giải quyết tính đặt chỉnh của bài toán trong các không gian hàm Sobolev và không gian phân kỳ triệt tiêu. Các kết quả ban đầu thiết lập nền tảng giải tích vững chắc cho toàn bộ phân tích điều khiển tối ưu. Khảo sát bao quát tính liên tục, tính compact của các phép nhúng Sobolev và tính khả vi Gateaux của toán tử trạng thái. Phương pháp xấp xỉ Galerkin kết hợp bổ đề năng lượng bảo đảm các đánh giá tiên nghiệm chính xác. Hệ động lực học chất lưu viscoelastic mở rộng phạm vi ứng dụng trong kỹ thuật cơ học chất lỏng phi Newton. Cấu trúc hệ phương trình giúp việc nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng đạt độ tin cậy cao và ổn định dài hạn.
1.1. Mô hình chất lưu viscoelastic Kelvin Voigt và không gian hàm
Mô hình chất lưu viscoelastic Kelvin-Voigt đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng dung dịch polymer và dầu nhờn công nghiệp. Phương trình trạng thái kết hợp ma trận ứng suất đàn hồi nhớt vào hệ động lực Navier-Stokes chuẩn. Để xử lý tính chất solenoidal của trường vận tốc, không gian hàm Lebesgue L^p và không gian Sobolev H^1 được xây dựng chặt chẽ. Miền làm việc có biên trơn cấp Lipschitz nhằm kiểm soát chuẩn độ dốc tại biên. Các bất đẳng thức giải tích kinh điển như Poincare, Gronwall và Holder cung cấp công cụ ước lượng năng lượng hiệu quả. Toán tử chiếu Leray đưa phương trình ban đầu về dạng trừu tượng trong không gian Hilbert các trường vector bảo toàn khối lượng. Không gian pha được trang bị tích vô hướng phù hợp với số hạng điều chuẩn Voigt. Cấu trúc topo của không gian hàm bảo toàn tính hội tụ yếu của dãy hàm nghiệm xấp xỉ.
1.2. Dạng phương trình giả parabolic và sự tồn tại nghiệm yếu
Sự xuất hiện của toán tử điều chuẩn làm thay đổi bản chất của hệ thống từ parabolic chuẩn sang phương trình giả parabolic. Cấu trúc này làm mềm độ suy biến phi tuyến và tăng tính ổn định của bài toán đạo hàm riêng theo thời gian. Sự tồn tại và duy nhất nghiệm yếu được chứng minh thông qua phương pháp Galerkin bán giải tích kết hợp đánh giá tiên nghiệm. Dãy nghiệm xấp xỉ hội tụ mạnh trong không gian năng lượng nhờ tính trơn bổ sung của đạo hàm theo thời gian. Toán tử phi tuyến đối lưu được kiểm soát thông qua các bất đẳng thức giải tích Sobolev nhúng liên tục. Định lý điểm bất động Schauder khẳng định sự tồn tại nghiệm của hệ tuyến tính hóa địa phương. Nghiệm yếu thu được thỏa mãn phương trình năng lượng tổng quát trên toàn bộ khoảng thời gian hữu hạn.
1.3. Tính đặt chỉnh của bài toán và tính chất nghiệm trơn
Tính đặt chỉnh của bài toán Navier-Stokes-Voigt thể hiện ở sự tồn tại, tính duy nhất và sự phụ thuộc liên tục của nghiệm vào điều kiện ban đầu cùng lực ngoài. Tính chính quy của nghiệm được cải thiện đáng kể so với hệ Navier-Stokes kinh điển nhờ số hạng nhớt đàn hồi. Đạo hàm theo thời gian của nghiệm duy trì tính bị chặn trong các chuẩn Sobolev cấp cao. Phép phân tích phổ của toán tử Stokes-Voigt xác nhận tính ổn định tiệm cận của nghiệm theo thời gian dài. Phép nhúng compact triệt tiêu hiện tượng phân nhánh hỗn loạn tại các số Reynolds lớn. Các bất đẳng thức vi phân năng lượng cung cấp biên độ dao động chính xác cho vector vận tốc và trường áp suất. Kết quả đặt chỉnh đóng vai trò tiền đề cho việc khảo sát bài toán điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng.
II. Điều khiển phân tán tối ưu hệ Navier Stokes Voigt
Bài toán điều khiển phân tán hướng đến việc tối ưu hóa trường dòng chảy thông qua lực tác động thể tích phân bố trên toàn miền. Hàm mục tiêu cân bằng giữa độ lệch trạng thái so với mục tiêu mong muốn và chi phí năng lượng điều khiển. Cấu trúc bài toán điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng đòi hỏi kỹ thuật phân tích biến phân phi tuyến nghiêm ngặt. Toán tử điều khiển ánh xạ từ không gian đối ngẫu vào không gian trạng thái của hệ thống chất lưu. Không gian các điều khiển chấp nhận được giả định là tập lồi đóng và bị chặn trong không gian Hilbert thích hợp. Việc giải quyết bài toán bao gồm chứng minh sự tồn tại nghiệm tối ưu, xây dựng phương trình liên hợp và suy ra hệ điều kiện cần cực trị. Các kỹ thuật ước lượng năng lượng bảo đảm tính compact của tập trạng thái tương ứng.
2.1. Thiết lập bài toán điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng
Thiết lập bài toán điều khiển phân tán bao gồm việc xác định hàm mục tiêu dạng Lagrange trên khoảng thời gian cố định. Trạng thái hệ thống tuân theo hệ phương trình Navier-Stokes-Voigt dưới tác động của trường lực kiểm soát phân bố. Tập điều khiển chấp nhận được chứa các hàm vector khả tích bình phương có ràng buộc biên độ cục bộ. Toán tử trạng thái - điều khiển được chứng minh là khả vi Gateaux và khả vi Frechet cấp hai liên tục. Ánh xạ phi tuyến bảo toàn tính liên tục yếu từ không gian điều khiển sang không gian trạng thái năng lượng. Cấu trúc bài toán bảo đảm tính lồi cục bộ của hàm mục tiêu mở rộng xung quanh lân cận nghiệm mục tiêu. Các ràng buộc hình học đối với miền kiểm soát được xử lý thông qua lý thuyết tập lồi giải tích.
2.2. Sự tồn tại nghiệm tối ưu và hệ phương trình liên hợp
Sự tồn tại nghiệm tối ưu của bài toán điều khiển phân tán được chứng minh bằng phương pháp biến phân trực tiếp. Dãy cực tiểu hóa các hàm điều khiển có tính compact yếu trong không gian Hilbert. Tính nửa liên tục dưới yếu của phiếm hàm mục tiêu bảo đảm giới hạn của dãy là nghiệm tối ưu cần tìm. Phương trình liên hợp được suy ra thông qua toán tử đạo hàm adjoint của hệ phương trình trạng thái tuyến tính hóa. Cấu trúc phương trình liên hợp chứa toán tử đảo thời gian và các số hạng điều chuẩn Voigt liên hợp. Sự tồn tại và duy nhất nghiệm yếu của trạng thái liên hợp được thiết lập nhờ tính đặt chỉnh của bài toán ngược thời gian. Nghiệm liên hợp đóng vai trò nhân tử Lagrange biểu diễn độ nhạy của hàm mục tiêu theo biến điều khiển.
2.3. Thiết lập điều kiện tối ưu bậc nhất và điều kiện đủ bậc hai
Điều kiện tối ưu bậc nhất được biểu diễn thông qua bất đẳng thức biến phân liên kết biến trạng thái, trạng thái liên hợp và điều khiển tối ưu. Phép chiếu trực giao lên tập lồi chấp nhận được xác định cấu trúc cụ thể của luật điều khiển tối ưu. Đạo hàm Frechet cấp một của phiếm hàm chi phí triệt tiêu tại các điểm không có ràng buộc biên tập kiểm soát. Để bảo đảm tính cực tiểu cục bộ chặt, điều kiện đủ bậc hai được thiết lập dựa trên tính dương xác định của đạo hàm cấp hai Frechet trên nón tiếp tuyến. Tính compact của toán tử phi tuyến đối lưu hỗ trợ việc cô lập các điểm dừng biến phân. Luật phản hồi trạng thái xấp xỉ giúp kiểm soát hiệu quả hành vi động lực học của dòng chảy thực tế.
III. Bài toán thời gian tối ưu cho hệ Navier Stokes Voigt
Bài toán điều khiển thời gian tối ưu tìm kiếm chiến lược lực điều khiển để đưa trạng thái chất lưu về trạng thái đích trong khoảng thời gian ngắn nhất. Thời gian kết thúc trở thành biến mục tiêu tự do cần cực tiểu hóa thay vì là tham số cố định. Đây là bài toán điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng có tính phi tuyến cao và miền tích phân biến đổi. Tập điều khiển chấp nhận mang ràng buộc giới hạn độ lớn năng lượng tức thời tại mỗi thời điểm. Phương pháp xấp xỉ thời gian kết hợp định lý hội tụ hàm cho phép khảo sát tính khả thi của quỹ đạo chuyển động. Việc nghiên cứu đòi hỏi đánh giá cẩn thận tính điều khiển được cục bộ của hệ phương trình Navier-Stokes-Voigt. Hệ thống phản ánh trung thực bài toán tiết kiệm thời gian vận hành trong các thiết bị cơ học chất lưu.
3.1. Phát biểu bài toán thời gian tối ưu và tập điều khiển chấp nhận
Phát biểu bài toán thời gian tối ưu tập trung vào việc cực tiểu hóa hàm thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ban đầu tới tập đích mong muốn. Không gian điều khiển chấp nhận được cấu thành từ các hàm vector đo được Lebesgue thỏa mãn ràng buộc chuẩn L-vô-hạn hoặc L-2 theo thời gian. Tập đích là một lân cận đóng trong không gian năng lượng Sobolev solenoidal. Hệ phương trình trạng thái chi phối quỹ đạo dòng chảy trong suốt chu trình tác động. Tính chất hình học của tập đích bảo đảm khả năng tiếp cận của trạng thái động lực trong thời gian hữu hạn. Phép biến đổi thang thời gian chuẩn hóa đưa bài toán biến phân về miền thời gian cố định. Kỹ thuật này đơn giản hóa việc giải tích biến phân cho bài toán biên tự do theo biến thời gian.
3.2. Sự tồn tại giải pháp tối ưu thời gian và nguyên lý cực tiểu
Sự tồn tại của thời gian tối ưu và cặp trạng thái - điều khiển tối ưu được xác lập qua nguyên lý giới hạn dưới của dãy thời gian chuyển tiếp. Dãy thời gian cực tiểu hóa bị chặn dưới bởi số không và hội tụ về thời gian tối ưu thực sự. Tính compact yếu của tập điều khiển trên khoảng thời gian biến thiên bảo đảm tính đóng của tập quỹ đạo đạt được. Nguyên lý cực tiểu Pontryagin mở rộng cho hệ phương trình đạo hàm riêng giả parabolic cung cấp mô tả hình học về luật điều khiển tối ưu. Hàm điều khiển tối ưu đạt giá trị cực trị trên biên của tập ràng buộc tại hầu hết các thời điểm tác động. Hiện tượng điều khiển dạng bang-bang xuất hiện tự nhiên khi phiếm hàm mục tiêu tuyến tính đối với biến kiểm soát.
3.3. Đánh giá điều kiện tối ưu bậc nhất và phân tích độ nhạy
Hệ điều kiện tối ưu bậc nhất cho bài toán thời gian tối ưu bao gồm phương trình trạng thái, phương trình liên hợp và điều kiện triệt tiêu của hàm Hamiltonian tại thời điểm cuối. Trạng thái liên hợp mang thông tin phản hồi ngược về độ nhạy của thời gian dịch chuyển theo biến dạng quỹ đạo. Tính liên tục tuyệt đối của hàm Hamiltonian theo biến thời gian được kiểm chứng thông qua phép vi phân tham số. Sự xuất hiện của số hạng điều chuẩn Voigt ngăn ngừa hiện tượng kì dị đạo hàm xung quanh thời điểm kết thúc. Đánh giá độ nhạy hỗ trợ thuật toán lặp số học điều chỉnh bước nhảy thời gian hiệu quả. Các kết quả phân tích cung cấp tiêu chuẩn dừng chính xác cho các sơ đồ tính toán mô phỏng tối ưu hóa dòng chất lưu.
IV. Bài toán điều khiển biên cho hệ Navier Stokes Voigt
Bài toán điều khiển biên khảo sát việc điều khiển trường dòng chất lưu thông qua vận tốc hoặc ứng suất đặt trực tiếp trên biên miền chất lỏng. Điều khiển biên có giá trị thực tiễn vượt trội trong việc kiểm soát xoáy, giảm lực cản và ngăn ngừa hiện tượng phân tách lớp biên. Không gian điều khiển được định nghĩa trên không gian vết phân số tại biên của miền hình học. Sự xuất hiện của điều kiện biên không thuần nhất làm tăng độ phức tạp giải tích của phương trình trạng thái. Việc chứng minh tính đặt chỉnh và thiết lập điều kiện tối ưu bậc nhất đòi hỏi các định lý vết Sobolev tinh vi. Bài toán điều khiển tối ưu hệ đạo hàm riêng này thiết lập liên hệ trực tiếp giữa tác động biên và động lực học nội miền.
4.1. Khảo sát hệ phương trình với điều kiện biên không thuần nhất
Khảo sát hệ phương trình Navier-Stokes-Voigt với điều kiện biên không thuần nhất yêu cầu mở rộng hàm biên vào bên trong miền tính toán. Toán tử nâng vết Sobolev xây dựng trường vận tốc phụ trợ bảo toàn tính phân kỳ triệt tiêu trên toàn miền. Bài toán ban đầu được chuyển đổi tương đương về bài toán biên thuần nhất với các số hạng nguồn bổ sung. Đánh giá năng lượng tiên nghiệm được thiết lập thông qua các định lý giải tích nhúng Sobolev biên. Tính trơn của biên miền hình học giữ vai trò quyết định trong việc kiểm soát sai số của toán tử nâng. Hệ phương trình chuyển đổi duy trì cấu trúc phương trình giả parabolic với các toán tử vi phân liên tục. Sự bù trừ giữa các số hạng nhớt đàn hồi giúp trường áp suất biên ổn định.
4.2. Sự tồn tại và duy nhất nghiệm yếu của bài toán điều khiển biên
Sự tồn tại và duy nhất nghiệm yếu của bài toán điều khiển biên được khẳng định nhờ tính đặt chỉnh của bài toán phụ trợ tương đương. Toán tử nghiệm ánh xạ liên tục từ không gian điều khiển biên vào không gian trạng thái năng lượng. Phương pháp biến phân bảo đảm sự tồn tại của nghiệm điều khiển tối ưu giảm thiểu tối đa năng lượng nhiễu loạn của dòng chất lưu. Dãy điều khiển biên cực tiểu hóa hội tụ yếu trong không gian vết Hilbert H^(1/2). Tính compactness của toán tử vết hỗ trợ việc lấy giới hạn phi tuyến của các số hạng đối lưu tại lân cận biên. Nghiệm tối ưu biên duy trì tính duy nhất cục bộ khi tham số nhớt đàn hồi đủ lớn so với biên độ dữ liệu ngoài.
4.3. Xác định điều kiện tối ưu bậc nhất và nghiệm liên hợp trên biên
Điều kiện tối ưu bậc nhất của bài toán điều khiển biên được suy ra từ hệ phương trình liên hợp với điều kiện biên liên hợp tương ứng. Vết của nghiệm liên hợp trên biên đóng vai trò trực tiếp xác định gradient của phiếm hàm chi phí. Bất đẳng thức biến phân biên chỉ rõ mối quan hệ giữa hàm điều khiển biên tối ưu và đạo hàm pháp tuyến của trạng thái liên hợp. Điều kiện đủ bậc hai được thiết lập trên không gian tiếp tuyến để bảo đảm nghiệm dừng là điểm cực tiểu cục bộ thực sự. Kỹ thuật nhân tử Lagrange mở rộng xử lý triệt để các ràng buộc song phương đối với độ lớn dòng chảy tại biên kiểm soát. Kết quả toán học hoàn thiện khung lý thuyết điều khiển hệ Navier-Stokes-Voigt trong ứng dụng thủy khí động lực học.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (102 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI NATIONAL UNIVERSITY OF EDUCATION TRAN MINH NGUYET SOME OPTIMAL CONTROL PROBLEMS FOR NAVIER-STOKES-VOIGT EQUATIONS (MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ĐỐI VỚI HỆ PHƯƠNG TRÌNH NAVIER-STOKES-VOIGT) DOCTORAL DISSERTATION OF MATHEMATICS Hanoi - 2019 luan an MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI NATIONAL UNIVERSITY OF EDUCATION TRAN MINH NGUYET SOME OPTIMAL CONTROL PROBLEMS FOR NAVIER-STOKES-VOIGT EQUATIONS Speciality: Differential and Integral Equations Speciality Code: 9.03 DOCTORAL DISSERTATION OF MATHEMATICS Supervisor: PROF. CUNG THE ANH Hanoi - 2019 luan an COMMITTAL IN THE DISSERTATION I assure that my scientific results are new and original. To my knowledge, before I published these results, there had been no such results in any scientific document. I take responsibility for my research results in the dissertation.
The publications in common with other authors have been agreed by the co-authors when put into the dissertation. December 10, 2019 Author Tran Minh Nguyet i luan an ACKNOWLEDGEMENTS This dissertation was carried out at the Department of Mathematics and Informatics, Hanoi National University of Education. It was completed under the supervision of Prof. Cung The Anh.
First and foremost, I would like to express my deep gratefulness to Prof. Cung The Anh for his careful, patient and effective supervision. I am very lucky to have a chance to study with him. He is an excellent researcher.
I would like to thank Assoc. Tran Dinh Ke for his help during the time I studied at Department of Mathematics and Informatics, Hanoi National University of Education. I would also like to thank all the lecturers and PhD students at the seminar of Division of Mathematical Analysis for their encour- agement and valuable comments. A very special gratitude goes to Thang Long University for providing me the funding during the time I studied in the doctoral program.
Many thanks are also due to my colleagues at Division of Mathematics, Thang Long University, who always encourage me to overcome difficulties during my period of study. Last but not least, I am grateful to my parents, my husband, my brother, and my beloved daughters for their love and support. Hanoi, December 10, 2019 Tran Minh Nguyet ii luan an CONTENTS COMMITTAL IN THE DISSERTATION. iii LIST OF SYMBOLS.
PRELIMINARIES AND AUXILIARY RESULTS 7 1.1 Regularities of boundaries .2 Lp and Sobolev spaces .3 Solenoidal function spaces .4 Spaces of abstract functions .5 Some useful inequalities .2 Continuous and compact imbeddings .4 The nonstationary 3D Navier-Stokes-Voigt equations .1 Solvability of the 3D Navier-Stokes-Voigt equations with homogeneous boundary conditions .2 Some auxiliary results on linearized equations .5 Some definitions in Convex Analysis. A DISTRIBUTED OPTIMAL CONTROL PROBLEM 26 2.1 Setting of the problem .2 Existence of optimal solutions .3 First-order necessary optimality conditions .4 Second-order sufficient optimality conditions. A TIME OPTIMAL CONTROL PROBLEM 47 3.1 Setting of the problem .2 Existence of optimal solutions .3 First-order necessary optimality conditions .4 Second-order sufficient optimality conditions. 59 iii luan an Chapter 4.
AN OPTIMAL BOUNDARY CONTROL PROBLEM 67 4.1 Setting of the problem .2 Solvability of the 3D Navier-Stokes-Voigt equations with nonho- mogeneous boundary conditions .3 Existence of optimal solutions .4 First-order and second-order necessary optimality conditions .1 First-order necessary optimality conditions .2 Second-order necessary optimality conditions .5 Second-order sufficient optimality conditions. 84 CONCLUSION AND FUTURE WORK. 88 LIST OF PUBLICATIONS. 90 iv luan an LIST OF SYMBOLS R the set of real numbers R+ the set of positive real numbers Rn n-dimensional Euclidean vector space A := B A is defined by B Ā the closure of the set A (.)X scalar product in the Hilbert space X kxkX norm of x in the space X X′ the dual space of the space X hx′ , xiX ′ ,X duality pairing between x′ ∈ X ′ and x ∈ X X ,→ Y X is imbedded in Y Lp (Ω) the space of Lebesgue measurable functions f R such that Ω |f (x)|p dx < +∞ L20 (Ω) the space of functions f ∈ L2 (Ω) such that R Ω f (x)dx = 0 L∞ (Ω) the space of almost everywhere bounded functions on Ω C0∞ (Ω) the space of infinitely differentiable functions with compact support in Ω C(Ω̄) the space of continuous functions on Ω̄ W m,p (Ω), H m (Ω), H m (Ω), Sobolev spaces 0 H s (Ω), H s (Γ) H −m (Ω) the dual space of H0m (Ω) H −s (Γ) the dual space of H s (Γ) L2 (Ω) L2 (Ω) × L2 (Ω) × L2 (Ω) (analogously applied for all other kinds of spaces) 1 luan an (.) the scalar product in L2 (Ω) ((.)) the scalar product in H10 (Ω) ((.))1 the scalar product in H1 (Ω) |.| the norm in L2 (Ω) k.k the norm in H10 (Ω) k.k1 the norm in H1 (Ω) x·y the scalar product between x, y ∈ Rn ∇ ( ∂x∂ 1 , ∂x∂ 2 , · · · , ∂x∂ n ) ∂y ∂y ∂y ∇y ( ∂x , 1 ∂x2 , · · · , ∂x n ) y·∇ y1 ∂x∂ 1 + y2 ∂x∂ 2 + · · · + yn ∂x∂ n ∂y1 ∂y2 ∂yn ∇ · y , div y ∂x1 + ∂x2 + · · · + ∂xn V {y ∈ C∞0 (Ω) : div y = 0} H, V the closures of V in L2 (Ω) and H10 (Ω) Lp (0, T ; X), 1 < p < ∞ the space of functions f : [0, T ] → X such RT that 0 kf (t)kpX dt < ∞ L∞ (0, T ; X) the space of functions f : [0, T ] → X such that kf (.)kX is almost everywhere bounded on [0, T ] W 1,p (0, T ; X) {y ∈ Lp (0, T ; X) : yt ∈ Lp (0, T ; X)} C([0, T ]; X) the space of continuous functions from [0, T ] to X {xk } sequence of vectors xk xk → x xk converges strongly to x xk * x xk converges weakly to x NU (u) the normal cone of U at the point u TU (u) the polar cone of tangents of U at u i.
5 page 5 2D two-dimensional 3D three-dimensional 2 The proof is complete 2 luan an INTRODUCTION 1. Literature survey and motivation The Navier-Stokes-Voigt (sometimes written Voight) equations was first in- troduced by Oskolkov in [57] as a model of motion of certain linear viscoelastic incompressible fluids. This system was also proposed by Cao, Lunasin and Titi in [12] as a regularization, for small values of α, of the three-dimensional Navier-Stokes equations for the sake of direct numerical simulations. In fact, the Navier-Stokes-Voigt system belongs to the so-called α-models in fluid mechanics (see e.
[38]), but it has attractive advantages over other α-models in that one does not need to impose any additional artificial boundary conditions (except the Dirichlet boundary conditions) to get the global well-posedness. We also refer the interested reader to [21] for some interesting applications of Navier- Stokes-Voigt equations in image inpainting. In the past years, the existence and long-time behavior of solutions to the Navier-Stokes-Voigt equations has attracted the attention of many mathemati- cians. In bounded domains or unbounded domains satisfying the Poincaré in- equality, there are many results on the existence and long-time behavior of solutions in terms of existence of attractors for the Navier-Stokes-Voigt equa- tions, see e.
In the whole space R3 , the existence and decay rates of solutions have been studied recently in [4, 56, 75]. The optimal control theory has been developed rapidly in the past few decades and becomes an important and separate field of applied mathematics. The op- timal control of ordinary differential equations is of interest for its applications in many fileds such as aviation and space technology, robotics and the control of chemical processes. However, in many situations, the processes to be opti- mized may not be modeled by ordinary differential equations, instead partial differential equations are used.
For example, heat conduction, diffusion, elec- tromagnetic waves, fluid flows can be modeled by partial differential equations. In particular, optimal control of partial differential equations in fluid mechan- ics was first studied in 1980s by Fursikov when he established several theorems about the existence of solutions to some optimal control problems governed by Navier-Stokes equations (see [25, 26, 27]). 3 luan an One of the most important objectives of optimal control theory is to obtain necessary (or possibly necessary and sufficient) conditions for the control to be an extremum. Since the pioneering work [1] of Abergel and Temam in 1990, where the first optimality conditions to the optimal control problem for fluid flows can be found, this matter has been studied very intensively by many au- thors, and in various research directions such as distributed optimal control, time optimal control, boundary optimal control and sparse optimal control.
Let us briefly review some results on optimality conditions of optimal control prob- lems governed by Navier-Stokes equations that is one of the most important equations in fluid mechanics. For distributed control problems, this matter was studied in [23, 33, 36, 68]. These works are all in the case of absence of state constraints. In the case of the presence of state constraints, the problem was investigated by Wang [71] and Liu [52].
The time optimal control problem of Navier-Stokes equations was investigated by Barbu in [7] and Fernandez-Cara in [24]. Optimal boundary control problems of the Navier-Stokes equations have been studied by many authors, see for instance, [32, 39, 40, 61] in the stationary case, and [10, 17, 28, 29, 34, 37] in the nonstationary case. One interesting result about Pontryagin’s principle for optimal control problem governed by 3D Navier- Stokes equations is introduced by B. We can see also the habilitation [35], the theses [69], [63] and references therein, for other works on optimal control of Navier-Stokes equations.
As described above, the unique existence and long-time behavior of solutions to the Navier-Stokes-Voigt equations, as well as the optimal control problems for fluid flows, in particular for Navier-Stokes equations, have been considered by many mathematicians. However, to the best of our knowledge, the optimal control of three-dimensional Navier-Stokes-Voigt equations has not been studied before. This is our motivation to choose the topic ”Some optimal control problems for Navier-Stokes-Voigt equations”. Because of the physical and practical significance, one only considers Navier-Stokes-Voigt equations in the case of three or two dimensions.
The thesis presents results on some optimal control problems for this equations in the three-dimensional space (the most physically meaningful case). However, all results of the thesis are still true in the two-dimensional one (with very similar statements of results and corresponding proofs). Namely, we will study the following problems: (P1) The distributed optimal control problem of the nonstationary three di- 4 luan an mensional Navier-Stokes-Voigt equations, where the objective functional is of quadratic form and the distributed control belongs to a non-empty, closed, con- vex subset, (P2) The time optimal control problem of the nonstationary three dimen- sional Navier-Stokes-Voigt equations, where the set of admissible controls is an arbitrary non-empty, closed, convex subset, (P3) The boundary optimal control problem of the nonstationary three di- mensional Navier-Stokes-Voigt equations, where the objective functional is of quadratic form and the boundary control variable has to satisfy some compati- bility conditions. Objectives The objectives of this dissertation are to prove the existence of optimal solu- tions and to give the necessary and sufficient optimality conditions for problems (P1), (P2), (P3), namely, (i) to show the existence of optimal solutions and to establish the first-order necessary and the second-order sufficient optimality conditions for problem (P1).
The structure and results of the dissertation The dissertation has four chapters and a list of references.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Tran Minh Nguyet (2019). Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt [Luận án tiến sĩ, Hanoi National University of Education]. LuanAn.net. https://luanan.net/toan-hoc/xac-suat-thong-ke/luan-an-tien-si-bai-toan-dieu-khien-toi-uu-he-navier-stokes-voigt
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt, đề xuất thuật toán mới và chứng minh tính hội tụ.
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Hanoi National University of Education. Năm bảo vệ: 2019.
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" thuộc chuyên ngành Differential and Integral Equations. Danh mục: Xác Suất Thống Kê.
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" có bao nhiêu trang?
Luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" có 102 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ bài toán điều khiển tối ưu hệ Navier-Stokes-Voigt" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.