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Large-time behavior of solutions to Vlasov-Poisson-Fokker-Planck equations: from evanescent collisions to diffusive limit

Authors :
Luis Miguel Rodrigues
Maxime Herda
Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ)
École Centrale de Lyon (ECL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-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)
ANR-13-BS01-0009-01, ANR BoND
ANR-13-BS01-0009,BoND,Frontières, numérique, dispersion.(2013)
Institut Camille Jordan [Villeurbanne] ( ICJ )
École Centrale de Lyon ( ECL )
Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL )
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon )
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université Jean Monnet [Saint-Étienne] ( UJM ) -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 )
ANR-13-BS01-0009,BoND,Frontières, numérique, dispersion. ( 2013 )
Institut Camille Jordan (ICJ)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-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 :
Journal of Statistical Physics, Journal of Statistical Physics, Springer Verlag, 2018, 170 (5), pp.895-931. ⟨10.1007/s10955-018-1963-7⟩, Journal of Statistical Physics, Springer Verlag, 2018, 170 (5), pp.895-931. 〈10.1007/s10955-018-1963-7〉, Journal of Statistical Physics, 2018, 170 (5), pp.895-931. ⟨10.1007/s10955-018-1963-7⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
HAL CCSD, 2018.

Abstract

The present contribution investigates the dynamics generated by the two-dimensional Vlasov-Poisson-Fokker-Planck equation for charged particles in a steady inhomogeneous background of opposite charges. We provide global in time estimates that are uniform with respect to initial data taken in a bounded set of a weighted $L^2$ space, and where dependencies on the mean-free path $\tau$ and the Debye length $\delta$ are made explicit. In our analysis the mean free path covers the full range of possible values: from the regime of evanescent collisions $\tau\to\infty$ to the strongly collisional regime $\tau\to0$. As a counterpart, the largeness of the Debye length, that enforces a weakly nonlinear regime, is used to close our nonlinear estimates. Accordingly we pay a special attention to relax as much as possible the $\tau$-dependent constraint on $\delta$ ensuring exponential decay with explicit $\tau$-dependent rates towards the stationary solution. In the strongly collisional limit $\tau\to0$, we also examine all possible asymptotic regimes selected by a choice of observation time scale. Here also, our emphasis is on strong convergence, uniformity with respect to time and to initial data in bounded sets of a $L^2$ space. Our proofs rely on a detailed study of the nonlinear elliptic equation defining stationary solutions and a careful tracking and optimization of parameter dependencies of hypocoercive/hypoelliptic estimates.<br />Comment: minor revisions added

Details

Language :
English
ISSN :
00224715 and 15729613
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Statistical Physics, Journal of Statistical Physics, Springer Verlag, 2018, 170 (5), pp.895-931. ⟨10.1007/s10955-018-1963-7⟩, Journal of Statistical Physics, Springer Verlag, 2018, 170 (5), pp.895-931. 〈10.1007/s10955-018-1963-7〉, Journal of Statistical Physics, 2018, 170 (5), pp.895-931. ⟨10.1007/s10955-018-1963-7⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....cf218b3f87d94aadf23738227ffa1a51
Full Text :
https://doi.org/10.1007/s10955-018-1963-7⟩