1. 引言
本文考虑黏弹性相分离模型
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
方程组(1.1)~(1.5)是在
上,其中
,为有界区域且是充分光滑的。此模型具有初值和边界条件
(1.6)
其中,
为聚合物分子的体积分数,
为聚合物相互作用产生的体应力,u为由溶剂速度和聚合物速度组成的体积平均速度。
简单二元流体的相分离过程是软物质物理学的核心现象,并且通常将混合物从高温状态淬火到低温状态来观察。对于牛顿流体,这一现象在20世纪70年代得到了很好的研究,通用的宏观模型是Hohenberg和Halperin的Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统 [1] 。如果用一个更大的组分取代混合物中的一个组分,例如聚合体,则产生的不对称性在动力学中起重要作用。Tanaka [2] 引入了一个数学模型并提出了“黏弹性相分离”一词正是指受外力影响的混合物,上述的动力不对称。不幸的是,这个模型与热力学第二定律不一致。在 [3] 中,Zhou,Zhang,E使用热力学一致性方法重新推导了一致模型 [4] [5] [6] 。上述模型的关键因素是附加条件与两种多相流体的速度差有关的压力,更多的相关信息详见 [7] 。这种压力,后来被命名为q,是由Tanaka引入的,考虑到聚合物–溶剂混合物的分子间相互作用,并被认为是一种黏弹性现象。
黏弹性相分离可以由相场演化的Cahn-Hilliard方程、流体流动的Navier-Stokes方程和黏弹性构象张量的时间演化组成的耦合系统来描述。在本文的模型中,为了更好地进行研究,没有考虑构象张量的影响。
黏弹性相分离模型是新推导出来的模型,目前已知的结论较少,其中包括三维整体弱解及其弱强唯一性 [8] ,还得到了二维整体弱解的存在性及其相关结果 [9] ,参考 [10] 中解的正则性的有关理论及更多相关研究 [11] [12] [13] ,得到了黏弹性相分离模型的三维局部强解。在一般的初值情况下,得不到此模型的三维整体强解,因此我们的三维局部强解是较优的结果。若对此模型进行更加深入的研究,可以在此基础上,考虑其正则性准则。
引理1.1 设
为J中的非负连续函数,
,设
且为一个常数。假设
在J中不减小,且
,
(1.7)
就有
,
, (1.8)
其中
. (1.9)
利用引理1.1,我们给出了对于方程组(1.1)~(1.5)解的局部正则性结果,即定理1.2,本文的主要结论如下。
定理1.2 假设初始值
,
,
,那么对于方程组(1.1)~(1.5)的光滑解
,q,u,存在正数T0和常数C,使得对于每一个T,满足
,有
其中T0和C都只依赖于域
,参数
,初始值
在
中的大小及初始值
,
在
中的大小。
2. 预备知识
以下将给出一些对定理及引理证明有用的定义、假设和引理。
定义2.1 给定初始值
,四元数组
为方程组(1.1)~(1.5)的弱解,如果有
和
上述方程组适用于任何检验函数
和几乎每一个
。而且,它满足上面给出的初始条件,即
。
假设2.2 1) 假设
,
,
都为
函数,这三个函数以及它们的导数
,
,
都为正的、有上下界的函数。
2) 假设
,它及其二阶导函数
都为非负的、有上下界的函数,同时有
。
3) 假设
,有常数
,
,同时有
,
且
。
4) 为方便起见,假设常数
充分大,
为1。
5) Einstein约定求和就是略去求和式中的求和号,在此规则中两个相同指标就表示求和,而不管指标是什么字母,有时亦称求和的指标为“哑指标”,
引理2.3 (Sobolev嵌入定理)
引理2.4 (Nirenberg不等式) 设
为具光滑边界的有界区域,
,则有
其中
,
进一步,若
,则有
3. 定理证明
在此部分,我们将给出引理1.1的证明,方程组(1.1)~(1.5)的解是光滑的,首先对(1.1)作用
,再乘
,结合(1.4),在
上积分并利用分部积分,有
(3.1)
对(1.2)先作用
,再乘
,在
上积分并利用分部积分,得到
(3.2)
对(1.3)作用
,在
上积分并利用分部积分,得到
(3.3)
接下来,将
中的
改写成分量形式,利用分部积分,结合(1.5),可得到
(3.4)
继续将
进行分部积分,整理之后可得到
(3.5)
接下来对
进行分部积分,可得
(3.6)
同样地,对
进行分部积分,整理之后我们可得到
(3.7)
对
也进行分部积分,整理之后可得
(3.8)
根据(1.5)可知,
为零,将
结合(1.4)可得
(3.9)
接下来,我们开始对各项进行估计,结合Hölder不等式,Young’s不等式,定义2.1和引理2.4,对
进行估计
(3.10)
结合(1.4),定义2.1,假设2.2中
的有界性,引理2.3,Hölder不等式,Young’s不等式以及引理2.4,我们接下来对
进行估计
(3.11)
根据定义2.1,假设2.2,引理2.3,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
进行估计
(3.12)
通过定义2.1,假设2.2中
、
的有界性,
,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
中的第一项
进行估计
(3.13)
根据定义2.1,假设2.2中
的有界性,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来我们对
中的第二项
进行估计
(3.14)
根据定义2.1,假设2.2中
,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来我们对
中的第三项
进行估计
(3.15)
结合定义2.1,假设2.2中
,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来我们对
中的第四项
进行估计
(3.16)
结合假设2.2,Hölder不等式及Young’s不等式,接下来我们对
中的第五项
进行估计
(3.17)
通过定义2.1,分部积分公式,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
进行估计
(3.18)
通过定义2.1,假设2.2,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
进行估计
(3.19)
结合定义2.1,假设2.2中的
的有界性,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
中的第一项
进行估计
(3.20)
根据定义2.1,假设2.2中的
,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
中的第二项
进行估计
(3.21)
结合定义2.1,假设2.2中的
,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
中的第三项
进行估计
(3.22)
结合定义2.1,假设2.2中
的有界性,Hölder不等式,Young’s不等式,引理2.3和引理2.4,接下来对
中的第一项
进行估计
(3.23)
结合假设2.2,Hölder不等式及Young’s不等式,接下来对
中的第二项
进行估计
(3.24)
结合定义2.1,假设2.2,Hölder不等式,Young’s不等式,引理2.3和引理2.4,接下来对
中的第三项
进行估计
(3.25)
我们结合Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
进行估计
(3.26)
结合定义2.1,假设2.2,Hölder不等式,Young’s不等式和引理2.4,接下来对
进行估计
(3.27)
结合定义2.1,假设2.2,Hölder不等式,Young’s不等式,引理2.3和引理2.4,接下来对
中的第二项
进行估计
(3.28)
将上述的估计(3.10)~(3.17)、(3.18)~(3.25)及(3.26)~(3.28)分别代入(3.1)、(3.2)及(3.3)中,再将三者相加,其中
取充分小,有
为正数,可得到
最后,我们总结出
(3.29)
利用上式(3.29),我们可以得到引理1.1,即证明完毕。