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arXiv 2004.04111math.AP
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作为穿孔区域中均化极限的 Stokes-Brinkman 方程的收敛速率与涨落

Convergence rates and fluctuations for the Stokes-Brinkman equations as homogenization limit in perforated domains

Richard M. Höfer, Jonas Jansen

AI总结:

本文研究了被独立同分布球形粒子穿孔的区域中 Stokes 方程的均化问题,证明了在临界状态下其均化极限为 Brinkman 方程,给出了最优收敛速率,并证明了涨落在中心极限标度下收敛于显式协方差的高斯场。

摘要:

我们研究了 $\mathbb{R}^3$ 中被 $m$ 个球形粒子穿孔的 Stokes 方程 Dirichlet 问题的均化。我们假设粒子的位置和速度是独立同分布的随机变量。在临界状态下,当粒子的半径为 $m^{-1}$ 阶时,均化极限 $u$ 由 Brinkman 方程的解给出。我们提供了 $u_m \to u$ 在 $L^2$ 中的最优收敛速率,即对于所有 $β< 1/2$ 为 $m^{-β}$。此外,我们考虑了涨落。在中心极限标度下,我们证明这些涨落局部地在 $L^2(\mathbb{R}^3)$ 中收敛于一个具有显式协方差的高斯场。我们的分析基于解 $u_m$ 用 $u$ 以及粒子位置及其速度表示的显式近似。我们证明了这些近似在 $\dot H^1(\mathbb{R}^3)$ 中精确到 $m^{-β}$ 阶(对于所有 $β< 1$)。我们的结果同样适用于关于 Poisson 方程均化的类似问题。

英文摘要:

We study the homogenization of the Dirichlet problem for the Stokes equations in $\mathbb{R}^3$ perforated by $m$ spherical particles. We assume the positions and velocities of the particles to be identically and independently distributed random variables. In the critical regime, when the radii of the particles are of order $m^{-1}$, the homogenization limit $u$ is given as the solution to the Brinkman equations. We provide optimal rates for the convergence $u_m \to u$ in $L^2$, namely $m^{-β}$ for all $β< 1/2$. Moreover, we consider the fluctuations. In the central limit scaling, we show that these converge to a Gaussian field, locally in $L^2(\mathbb{R}^3)$, with an explicit covariance. Our analysis is based on explicit approximations for the solutions $u_m$ in terms of $u$ as well as the particle positions and their velocities. These are shown to be accurate in $\dot H^1(\mathbb{R}^3)$ to order $m^{-β}$ for all $β< 1$. Our results also apply to the analogous problem regarding the homogenization of the Poisson equations.

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来,可能存在错误,请以论文正文为准。

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