Weak solutions of the incompressible Euler equations

Orientadores: Helena Judith Nussenzveig Lopes, Milton da Costa Lopes FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação CientíficaResumo: Neste trabalho estudamos o conceito de solução fraca de equações que modelam fluidos ideais incompressíveis. Mais precisamente, estudamos exemplos que evidenciam deficiências na definição de solução fraca das equações de Euler. Um exemplo é o fluxo de Shnirelman, que é uma solução fraca das equações de Euler, no toro bidimensional, com suporte compacto no tempo. Isso implica que as soluções fracas das equações de Euler não são únicas. Nesse trabalho construímos uma aproximação numérica do fluxo de Shnirelman, com o objetivo de obter uma visualização da estrutura do fluxo. Em um trabalho conjunto com Shnirelman, modificamos a construção original a fim de obter um fluxo com uma estrutura física mais interessante e através da qual a visualização da cascata inversa de energia se torna mais clara. Recentemente, De Lellis e Székelyhidi também construíram soluções fracas das equações de Euler, no espaço todo, com suporte compacto no tempo e espaço. A técnica utilizada por eles é inovadora e se mostrou eficiente na construção de contra-exemplos variados. Utilizamos a técnica desenvolvida por De Lellis e Székelyhidi para construir soluções fracas das equações de Euler 2D com traçador passivo que tenham suporte compacto no tempo e espaço. Por fim, em nosso trabalho também estudamos as equações de Euler com simetria helicoidal, tendo demonstrado existência global, no tempo, de soluções fracas, na ausência de rodopio helicoidal, desde que a vorticidade inicial esteja em Lp, com p > 4=3, e seja de suporte compacto no plano, periódico na direção axial. Este resultado representa uma melhoria em relação ao estado da arte, devido a Ettinger e Titi, que é a boa-colocação no caso de domínio limitado e com vorticidade inicial limitadaAbstract: In this work we study the concept of weak solution of the incompressible ideal flow equations. More precisely, we study examples that highlight the shortcomings of the definition of weak solution for the Euler equations. An example is Shnirelman's flow, which is a weak solution of the Euler equations, on the bidimensional torus, compactly supported in time. This implies that weak solutions of the Euler equations are not unique. In this work we construct a numerical approximation of Shnirelman's flow, in order to visualize the structure of the flow. In joint work with Shnirelman, we modified the original construction in order to obtain a flow with more interesting physical structure whereby the visualization of the inverse energy cascade is clearer. Recently, De Lellis and Székelyhidi also constructed weak solutions of the Euler equations, in the whole space, with compact support in time and space. The technique used by them is innovative and has proved to be very effective in the construction of several counter-examples. We used the technique developed by De Lellis and Székelyhidi in order to construct weak solutions of the 2D Euler equations, coupled with a passive tracer, which are compactly supported in time and space. Finally, in our work we also studied the Euler equations with helical symmetry; we proved global existence, in time, of weak solutions, in the absence of helical swirl, provided that the initial vorticity lies in Lp, with p > 4=3, and has compact support in the plane, periodic in the axial direction. This result represents an improvement with respect to the state of art, due to Ettinger and Titi, who established the well-posedness, for bounded helical domains, assuming that the initial vorticity is boundedDoutoradoMatematicaDoutor em Matemátic