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Isothermal quantum hydrodynamics: Derivation, asymptotic analysis, and simulation

Authors :
Florian Méhats
Samy Gallego
Pierre Degond
Mathématiques pour l'Industrie et la Physique (MIP)
Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR)
AGROCAMPUS OUEST
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 2 (UR2)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Mathématiques pour l'Industrie et la Physique ( MIP )
Université Toulouse 1 Capitole ( UT1 ) -Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse ( INSA Toulouse )
Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université Paul Sabatier - Toulouse 3 ( UPS ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Institut de Recherche Mathématique de Rennes ( IRMAR )
Université de Rennes 1 ( UR1 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -AGROCAMPUS OUEST-École normale supérieure - Rennes ( ENS Rennes ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université de Rennes 2 ( UR2 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)
Source :
Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007, 6 (1), pp.246-272. ⟨10.1137/06067153X⟩, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007, 6 (1), pp.246-272. 〈10.1137/06067153X〉, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, 2007, 6 (1), pp.246-272. ⟨10.1137/06067153X⟩
Publication Year :
2007
Publisher :
HAL CCSD, 2007.

Abstract

International audience; This article is devoted to the reformulation of an isothermal version of the quantum hydrodynamic model derived by Degond and Ringhofer in [J. Statist. Phys., 112 (2003), pp. 587-628] (which will be referred to as the quantum Euler system). We write the model under a simpler (differential) form. The derivation is based on an appropriate use of commutators. Starting from the quantum Liouville equation, the system of moments is closed by a density operator which minimizes the quantum free energy. Some properties of the model are then exhibited, and most of them rely on a gauge invariance property of the system. Several simplifications of the model are also written for the special case of irrotational flows. The second part of the paper is devoted to a formal analysis of the asymptotic behavior of the quantum Euler system in three situations: at the semiclassical limit, at the zero-temperature limit, and at a diffusive limit. The remarkable fact is that in each case we recover a known model: respectively, the isothermal Euler system, the Madelung equations, and the entropic quantum drift-diffusion model. Finally, we give in the third part some preliminary numerical simulations.

Details

Language :
English
ISSN :
15403459 and 15403467
Database :
OpenAIRE
Journal :
Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007, 6 (1), pp.246-272. ⟨10.1137/06067153X⟩, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007, 6 (1), pp.246-272. 〈10.1137/06067153X〉, Multiscale Modeling and Simulation: A SIAM Interdisciplinary Journal, 2007, 6 (1), pp.246-272. ⟨10.1137/06067153X⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....fb2a6c3e6840a90db53c26c7abeef08c
Full Text :
https://doi.org/10.1137/06067153X⟩