Homogenization of elliptic eigenvalue problems: Part 2

The aim of this paper is to study the homogenization of elliptic eigenvalue problems, with a second order homogeneous Dirichlet problem as an example. The main homogenization theorem states that the same operator which serves to homogenize the corresponding static problem works for the eigenvalue problem as well and that the structure of eigenvalues and eigenvectors is in some sense preserved. Formulae for first and second order correctors for eigenvalues are proposed and error estimates are obtained. These results are applied to the case of coefficients with a periodic structure and a simple numerical example is presented. Extensions to other types of boundary conditions and to higher order equations are indicated.

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Resume Le but de cet article est d'étudier l'homogénéisation du problème de valeurs propres pour des opérateurs elliptiques. On prend comme exemple un problème de second-ordre avec des conditions de Dirichlet homogènes au bord. Le Théorème principal d'homogénéisation dit que le même opérateur qui homogénéise le problème stationnaire correspondant sert également à homogénéiser ce problème de valeurs propres et que la structure des valeurs et vecteurs propres est, grosso modo, préservée. On propose des formules pour calculer les correcteurs de premier et second ordre pour les valeurs propres et on obtient des estimations d'erreur. Ces résultats sont appliqués à un cas particulier où les coefficients sònt périodiques et des résultats numériques sont présentés. On indique des extensions possibles du point de vue conditions aux limites, et des problèmes de quatrième ordre.

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Part 1 of Dr. Kesavan's article appeared in Appl. Math. Optim. 5, Number 2.     

Fully-developed forced convection in rectangular ducts and illustrations of some general inequalities

New exact laminar convective temperature solutions for rectangular ducts with constant heat flux per unit length have been derived in uniform fashion for a variety of Dirichlet and Neumann boundary conditions. Those with null Dirichlet boundary conditions satisfy the hypothesis of a general inequality theorem. Consequences of the theorem are shown for the velocity and thermal fields of rectangular and elliptical ducts, which provide rigorous bounds for intermediate contours.

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Résumé Quelques solutions nouvelles exactes du problème de la convection laminaire de la chaleur dans les tuyaux de section rectangulaire ont été déduites d'une façon uniforme pour différentes conditions aux limites selon Dirichlet et Neumann. L'hypothèse d'un théorème général d'inégalité est satisfaite lorsque les conditions aux limites sont homogènes selon Dirichlet. Les conséquences de ce théorème sont montrées pour les champs de vitesse et de température dans les tuyaux rectangulaires et elliptiques, ce qui fournit des bornes précises pour des domaines intermédiaires.

     

A note on plane nonlinear creep of free boundaries

Résumé On montre que la déformation plane et quasi-statique d'un corps incompressible qui est non-linéairement visqueux du second ordre, et dont les frontières sont soumises aux tractions données, ne peut être distinguée de celle d'un corps fluide, ayant les mêmes frontières et les mêmes tractions prescrites, qui est linéairement visqueux et incompressible. Ainsi, les solutions données préalablement (Berg, 1964) pour le fluage plan des frontières libres de tractions s'appliquent également au fluage plan et nonlinéaire du second ordre des frontières libres de tractions. Cela signifie en particulier que dans le fluage plan les effets visqueux du second ordre ne peuvent pas donner lieu à l'irréversibilité cinématique de la déformation d'une surface libre. Les résultats des effets du second ordre sont quelque peu étendus pour montrer que dans le cas le plus général d'un fluide non-linéaire et incompressible les problèmes de fluage plan peuvent se simplifier si l'on incorpore dans le champ de pression une partie des contraintes non-linéairement visqueuses.     

On solution of higher approximations to boundary layer flows

Résumé Pour trouver des approximations d'un ordre élevé dans les problèmes de couche limite, l'auteur propose une méthode qui unifie le approches de Meksyn et Görtler. Les valeurs initiales, pour les approximations successives de Görtler, sont evaluées à l'aide de la methode de Meksyn. Toutes les valeurs initiales sont obtaneues par différentiation d'une seule équation. Les résultats obtenus sont au moins équivalent à ceux obtenus par la méthode de Hsu, avec considérablement moins de calculs.     

Upper and lower bounds for sloshing frequencies by intermediate problems

This article presents very good, rigorous, numerical estimates for the sloshing eigenvalues of two families of two-dimensional regions. For each region the eigenvalues are proportional to the square of the frequencies of small lateral oscillations of an ideal fluid under the influence of gravity in a canal or in a horizontal cylindrical tank that has the region as cross-section. Our estimates are obtained by using conformal transformations that carry rectangles onto the regions, and then by employing intermediate problems with a generalized special choice to find upper and lower bounds to eigenvalues. The transformed problems are analogous to certain nonuniform string eigenvalue problems we estimate in a similar way.

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Résumé On calcule des bornes inférieures et supérieures aux fréquences d'oscillation latérale d'un liquide idéal sous l'influence de la gravité dans un réservoir cylindrique ou dans un canal. Les carrés des fréquences sont proportionnnels aux valeurs propres d'un opérateur aux dérivées partielles dans un ensemble de deux dimensions qui prend la forme de la section du liquide. Pour déterminer les bornes aux valeurs propres, on se sert des fonctions analytiques qui transforment les sections en rectangles ainsi que de problèmes intermédiaires choisis spécialement sous un aspect général. Les problèmes aux valeurs propres résultant des transformations sont analogues à certains problèmes de cordes vibrantes pour lesquels on peut calculer des bornes aux valeurs propres de façon semblable.

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This work was supported by the Department of the Navy, Naval Sea Command under Contract No. N 00024-81-C-5301.     

Analytical reduction for a concentration dependent diffusion problem

Previous analytical simplifications of Boltzmann's similarity solution are unified and generalized by examining symmetry and transformation properties of the equation. It is shown how to reduce boundary value problems to initial value problems for certain diffusivities. A series solution is derived for this case, and shown to be accurate for a broad range of parameter values.

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Résumé Les simplifications analytiques connues de la solution similaire de Boltzmann sont unifiées et généralisées par l'étude des propriétés de symétrie et des transformations de l'équation de diffusion. On montre comment, pour certaines diffusivités, un problème de conditions aux limites se réduit à un problème de valeurs initiales. Une solution en séries obtenue pour ce cas est très précise pour un domaine étendu des paramètres.

     

Bounds on eigenvalues of Sturm-Liouville problems with discontinuous coefficients

This paper is concerned with obtaining upper and lower bounds for the eigenvalues of Sturm-Liouville problems with discontinuous coefficients. Such problems occur naturally in many areas of composite material mechanics.The problem is first transformed by using an analog of the classical Liouville transformation. Upper bounds are obtained by application of a Rayleigh-Ritz technique to the transformed problem. Explicit lower bounds in terms of the coefficients are established. Numerical examples illustrate the accuracy of the results.

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Résumé Dans cet article les bornes supérieures et inférieures sont détermineés pour les valeurs caractéristiques des problèmes de Sturm-Liouville avec des coefficients discontinus. De tels problèmes se trouvent naturellement dans la mécanique des materiaux composites.Après avoir transformé ce problème en utilisant un analogue de la transformation classique de Liouville, les bornes supérieures sont obtenues par l'application d'une technique de Rayleigh-Ritz au problème transformé. Les bornes inférieurs sont determinées en fonction des coefficients sous une forme explicite. Quelques exemples numériques montrent l'exactitude des résultats.

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This work was supported by the U.S. Army Research Office under Grants DAH C04-75-G-0059, DAAG 29-76-G-0063 and DAAG 29-77-G-0034.     

Solutions globales d'un problème de Cauchy linéaire

On résoud le problème de Cauchy pour des opérateurs aux dérivées partielles à coefficients polynomiaux par rapport aux variables d'espace dans des classes de Gevrey projectives. Nos résultats sont des versions globales du théorème de Cauchy-Kowalewski et du théorème de Nagumo.     

Perspectives de l'Approximation Diophantienne et de la Transcendance

Nous discutons de certains aspects de l'approximation diophantienne et de la transcendance inspirés par deux problèmes encore ouverts: trouver une version effective du théorème de finitude de Siegel pour les points entiers sur les courbes et trouver une approche intrinsèque aux résultats de transcendance des valeurs spéciales des fonctions modulaires sans utiliser les variétés abéliennes (problème posé par Th. Schneider).     

The behavior of elastic heat conductors with second-order response functions

Second-order forms for the material response functions of an elastic heat conductor are derived by approximating the response functions by polynomials in the appropriate invariants. Solutions based upon these forms of the response functions are exact for special materials and approximate for general materials. The second-order dependence on temperature of isothermal elasticity solutions is found, and the results are shown to agree well with experimental data taken on rubber. Within the second-order theory for incompressible and isotropic bodies, the problems of biaxial stretching of a plate with transverse heat flow and the simultaneous extension and shear of a cylindrical annulus with radial heat flow are solved.

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Résumé Les termes du deuxième ordre des fonctions de réponse d'un conducteur de chaleur élastique sont dérivés dans une approximation basée sur le développement en polynomes d'invariants appropriés de ces fonctions. Les solutions qui en résultent sont exactes pour certains matériaux et approchées dans le cas général. Une dépendance du second ordre en température de l'élasticité isotherme est établie et il est montré que, dans le cas du caoutchouc, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales. Les problèmes de l'état de tension bidimensionnel d'une plaque soumise à un flux de chaleur transversal et de l'allongement et du cisaillement simultanés d'un anneau cylindrique parcouru par un flux radial sont résolus dans le cadre de la théorie du second ordre pour les corps incompressibles et isotropes.

     

On the theories used for the wave propagation in laminated composite thin elastic shells

In this paper, the problem of propagation of free harmonic waves in cross-ply laminated thin elastic shells is considered. For this problem, a theoretical unification of the most commonly used, in physical and engineering applications, thin shell theories which take into consideration transverse shear deformation effects is presented. In more detail, the problem is formulated in such a way that by using some tracers, which have the form of Kronecker's deltas, the obtained stress-strain relations, constitutive equations and equations of motion produce, as special cases, the corresponding relations and equations of the transverse shear deformable analogs of Donnell's, Love's and Sanders' theories. Using an eigenvalue form solution of the equations of motion, a comparison of corresponding numerical results obtained on the basis of all of the afore-mentioned theories is made. Comparisons with corresponding results obtained on the basis of the classical thin shell theories of Donnell, Love, Sanders and Flugge are also made.

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Resumé On étudie un problème de propagation d'ondes harmoniques libres dans une fine coque cylindrique, élastique, composée de lamelles croisées. On présente une unification des théories les plus courantes que les ingénieurs et physiciens appliquent aux problèmes de coques minces sous considération de la déformation due au cisaillement transverse. En détails, le problème est formulé de telle façon qu'en utilisant des opérateurs de trace (sous forme du symbole de Kronecker) les relations obtenues: contrainte-déformation, équations constitutives et équations de mouvement donnent comme cas spéciaux les relations correspondantes et les équations des problèmes analogues (déformation de coques minces par cisaillement transverse) des théories de Donnell, Love et Sanders. En utilisant une solution aux valeurs propres des équations de mouvement, on compare les résultats numériques obtenus grâce aux théories mentionées ci-dessus aux résultats correspondants sur la base des théories classiques de Donnell, Love, Sander et Flugge.

     

Application of the Cauchy theorem to the location of zeros of sectionally analytic functions

Summary A new method for the derivation of closed-form formulae for the zeros of sectionally analytic functions in the complex plane is proposed. This method is based on the Cauchy theorem in complex analysis (in a generalized form) and it does not require the solution of any boundary value problem along the discontinuity interval. As an application, the classical transcendental equationw=tanh (p w+q), appearing in a physical problem, is solved in closed form. Numerical results are also presented.

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Résumé Une nouvelle méthode pour la dérivation de formules analytiques pour les zéros des fonctions analytiques par morceaux dans le plan complexe est proposée. Cette méthode se base sur le théorème de Cauchy dans l'analyse complexe (sous une forme généralisée) et elle n'a besoin de la solution d'aucun problème à valeurs aux limites le long de l'intervalle de discontinuité. Comme une application, l'équation transcendentale classiquew=tanh (p w+q), apparaissante dans un problème physique, est résolue analytiquement. Des résultats numériques sont présentées aussi.

     

Optimization problems in magnetohydrodynamic flows

Résumé On traite le problème des conditions de maximum de conversion d'énergie dans les générateurs magnétohydrodynamique pour les écoulements incompressibles et compressibles, et pour les cas ou les électrodes sont répartis soit en sections finies soit en sections continues. Les conditions d'optimalité sont trouvées pour les cas finis par le principe de Bellman, et pour le cas de repartition infinie des électrodes par l'équation fondamentale de la programmation dynamique.     

On the mixed boundary-value problem for harmonic functions in plane domains

This paper considers the problem of the determination of a harmonic function in a simply connected plane domain when the values of the function are known on some arcs of the boundary and the values of the normal derivative are known on the remaining boundary. We first present the solution in theoretical form and then show how to compute the solution with the aid of rapidly convergent series. The coefficients of these series are Fourier coefficients of certain functions and can be estimated by using the Fast Fourier Transform. The examples considered in the last part of the paper emphasize the advantages of the method presented in this paper for solving the mixed boundary-value problem as compared to other methods used for this purpose.

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Résumé On considère le problème suivant: trouver une fonction harmonique dans un domaine simplement connexeDR ² dont la frontièreS est assez régulière, en connaissant les valeurs de la fonction sur une partieS ₁ de la frontière et les valeurs de la dérivée normale sur la complémentaire de366-1. La première partie présente des résultats théoriques liés à ce probléme. La deuxième partie s'appuie sur une représentation de la solution à l'aide de certaines séries de fonctions rapidement convergentes. Les coefficients des séries utilisées sont même les coefficients de Fourier de certaines fonctions, et leur calcul peut être effectué en utilisant la transformation de Fourier rapide (Fast Fourier Transform). Les exemples considérés dans la dernière partie de l'article mettent en évidence les avantages de la méthode présentée par rapport à d'autres méthodes employées pour la résolution du problème mixte.

     

Integral transforms for shock-shock interaction — Three dimensional planar wings

Résumé Si une onde de choc de force arbitraire rencontre une aile pointue aplatie qui se déplace à une vitesse supersonique, une région de perturbations est générée. Une expression analytique explicite en termes de perturbations de pression est trouvée par l'application de transformations d'intégrales au problème des conditions initiales-limites. La théorie est appliquée au problème de l'interaction d'une onde de choc plane et d'une aile delta plane (avec des bords d'attaque définiment supersoniques) en petite incidence. Les résultats numériques pour la répartition des pressions sont présentés.     

On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space

Summary The boundary-value problem for free oscillations of a liquid in a half-space, which is bounded above by a rigid plane that contains a circular aperture, is transformed to a homogeneous, Fredholm integral equation for the velocity distribution in the aperture. Rayleigh-Ritz approximations to the eigenvalues are obtained by expanding the velocity distribution in appropriately weighted Jacobi polynomials. Numerical results demonstrate that the convergence of the approximations is much stronger than that of the approximations developed by Henrici, Troesch and Wuytack; for example, retaining twelve terms in the Rayleigh-Ritz expansion yields the dominant eigenvalue within one part in 10^–8. A corresponding development is given for the two-dimensional problem, in which the aperture is an infinite strip.

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Résumé Le problème aux conditions limites pour les oscillations libres d'un liquide dans l'espace semi-infini sous un plan rigide contenant une ouverture circulaire est transformé en une équation intégrale homogène de Fredholm pour la distribution de vitesse dans l'ouverture. On obtient des approximations de Rayleigh-Ritz pour les valeurs propres en développant le champ de vitesse en série pondérée de polynômes de Jacobi. Les résultats numériques démontrent que la convergence des approximations est bien plus rapide que celle des approximations développées par Henrici, Troesch and Wuytack; par exemple, en retenant douze termes dans le développement de Rayleigh-Ritz on obtient la valeur propre dominante avec une erreur relative moindre que 10^–8. Un développement correspondant est donné pour le problème bidimensionnel, pour lequel l'ouverture est une bande infinie.

     

Contact problem of a rigid indentor in second order elasticity theory

Summary A solution to the contact problem of a rigid indentor in an elastic half space is derived by employing the theory of second order elasticity. The formulae for the distribution of pressure under the punch, shape of the deformed surface, total load on the punch and the depth of penetration are given in the general terms. The results are illustrated by considering the indentation of the half space by a rigid sphere. Amongst other results it is found that for a compressible material the depth of penetration is larger and the total load is smaller as compared to their values in classical elasticity; for an incompressible material the effects observed are exactly reversed to those of the above.

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Résumé La solution du problème de contact d'un corps rigide arrondi s'appuyant sur un demi-espace élastique est dérivée en employant la théorie de l'élasticité du second ordre. Les formules pour la distribution de la pression sous le poinçon pour la configuration de la surface déformée, pour la charge totale sur le poincon et pour la profondeur de pénétration sont données en termes généraux. Les résultats sont illustrés en considérant la cavité due à la pénétration d'une sphère rigide dans le demi-espace. Parmi d'autres resultats on trouve que pour une matière compressible, la profondeur de penetration est plus grande et que la charge totale est plus petite par rapport aux valeurs obtenues à l'aide de la theorie classique de l'elasticite; par une matière incompressible les effets observés sont exactement inverses.

     

Étude de l'écoulement laminaire de deux liquides non miscibles entre deux disques coaxiaux tournant en sens contraires

Resumé On présente des résultats théoriques relatifs à l'écoulement laminaire permanent de deux liquides non miscibles entre disques tournant en sens contraires. La solution cherchée est une solution exacte des équations de Navier-Stokes appartenant à la classe des solutions affines représentant les écoulements entre disques, avec symétrie de révolution. Cette solution est calculée analytiquement de manière approchée pour les valeurs faibles du nombre de Reynolds de rotation, et numériquement pour les valeurs quelconques de ce paramètre. Les résultats sont analysés en fonction des valeurs relatives des masses volumiques et des viscosités des deux fluides.

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This paper is concerned with a theoretical study of the stationary laminar flow of two immiscible liquids between two disks rotating in opposite senses. The solution is an exact solution of the complete Navier-Stokes equations belonging to the class of similar solutions of flows between rotating coaxial disks. An approximate analytical form of this solution is given for low values of the rotation Reynolds number and numerical results have been performed for higher values of this parameter. Detailed results are discussed for relative values of fluids densities and viscosities.

     

Inverse problem for a vibrating beam

Summary The problem of inferring the flexural rigidity and density of a beam from its eigenfrequencies is considered for the particular case in which one end is clamped. It is shown that three spectra associated with three sets of boundary conditions at the other end are required in order to insure a unique solution of the inverse problem. Furthermore, it is shown that this data set is equivalent to the information contained in the time history of the displacement and slope of the free end of the beam set in motion by a concentrated impulse.

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Résumé Cet article traite le problème relatif à la déduction des caractéristiques d'une barre à partir de ses fréquences propres. Bien que nos résultats soient généraux, nous considererons seulement le cas où la barre est encastrée à une extrémité. Nous montrerons que trois spèctres associés à trois types de conditions aux limites pour la seconde extrémité sont nécéssaires pour garantir l'unicité de la solution du problème inverse. De plus, nous montrerons que ces trois spèctres sont équivalents à l'information contenue dans les fonctions représentant le déplacement et la pente de l'extrémité libre de la barre mise en mouvement par un choc donné à cette extrémité.

     

Sur les dérivées des opérateurs du type Navier-Stokes

Résumé Dans cette note on caractérise les opérateurs linéaires qui représentent la dérivée de Fréchet en un point d'un opérateur nonlinéaire du type envisagé (dans [2]) comme modèle fonctionnel de l'opérateur dans l'espace des vitesses qui gouverne le problème aux limites homogène pour les équations de Navier-Stokes stationnaires.