1. 引言
本文研究如下带有非局部速度趋同效应的耦合流体模型:
(1)
满足初值条件:
(2)
其中d为空间维数,
是d维空间中的周期环形区域,
分别表示粒子的密度、粒子的速度和不可压流体的速度,
分别表示粒子与粒子,流体与流体相互作用的非负耦合强度常数,速度趋同效应中的通信权重函数
是一个非常数且非正定矩阵,它反映了系统内部的非局部相互作用。
带有非局部效应的欧拉模型,是反应复杂系统运动的微观粒子模型的宏观表达。此类模型的研究在社会学,经济学和自然科学等不同领域都有重要意义,例如鸟、鱼等小动物的聚集现象,物质的运输或行人的流动,半导体或气体动力学中的带电粒子的运动等。本文研究的这类模型通过阻尼项对粒子速度和流体速度进行耦合,描述了多粒子复杂系统在不压缩流体中的运动状态。
为介绍模型的非局部效应,首先从微观粒子模型出发:
(3)
其中
是第i个粒子在d维空间中的位置和速度,
是第i个粒子的自加速度或阻尼力。
是第i和第j个粒子之间的弱相互作用力,
常见有两种类型,一种是导致个体之间的吸引和排斥现象的相互作用力,例如三维库伦力
( [1] );另一种是导致粒子产生速度趋同效应的速度趋同力,例如在描述小动物聚集现象的Cucker-Smale模型中
( [2] ),在速度趋同力的作用下,系统中个体受其他个体的影响调整自己的速度,系统中个体在长时间过程中速度趋于一致。更多带有非局部效应的微观模型可以在 [3] [4] [5] 中找到。
通过取平均场极限,并对系统的密度分布函数作Mono-Kinetic拟设,即设
,可得到宏观无压欧拉系统:
(4)
其中
是密度,u是粒子速度,v是流体速度。
关于带有非局部效应的无压欧拉系统(1),陈丽教授和Göttlich ( [6] )等人研究了二维空间中复杂材料流动的流体力学模型,在模型中非局部效应满足一定的结构条件,光滑解的局部存在性被得到。Carrillo
和Choi等人对一维简化模型(
)解的长时间渐进行为进行分析,并给出了阻尼
抑制激波形成时,初值需要满足的临界条件( [7] )。当模型(4)中不含阻尼项,但非局部排斥力和速度校准力同时存在时,Kiselev和Tan等人通过一系列的工作( [8] [9] [10] )证明,如果速度校准效应的积分核非负对称且具有一定光滑性,则模型具有全局光滑解,这意味着速度较准项有助于防止激波的形成。
而对含有压力项的欧拉方程组,Feireisl等人采用凸积分的方法,证明了一维空间中的Cauchy问题存在无穷多的弱解,在这里模型带有阻尼和非局部速度趋同效应 [11]。最近,Choi研究了带有线性压力项和非局部速度较准项的欧拉系统,给出了经典解的全局存在性 [12]。进一步的,Carrillo等人针对含有非局部效应的可压粘性流体力学模型,得到了弱解的全局存在性,并对解的长时间渐进行为进行了分析 [13]。
对于本文这类欧拉方程与不可压缩Navier-Stokes方程相耦合的流体模型,Ha和他的合作者们在 [14] 中研究了经典解的适定性。值得一提的是,在他们的模型中,非局部效应的通讯权重函数满足对称性,正则性,且具有恒正的下界,在得到解的能量估计中起到积极地作用。与之相比,我们模型中的
是一个非常数且非正定矩阵,这给解的正则性估计带来了一定的阻碍。
我们的主要结果如下:
定理1假设
,初值条件满足
,则系统(1)~(2)存在唯一的局部经典解
,满足如下正则性,
其中
与初值有关。
在本文中,我们用C表示与
有关的正常数。对于任何非负整数s,
表示
上的s阶
-Sobolev空间,为表示简洁,记
。我们在第2节中构造了逼近解,并在第3节得到了逼近解的一致能量估计,进一步的在第4节证明了逼近解的柯西收敛性,在第5节中完成了定理的证明。
2. 逼近解的构造
在这一节中,我们将应用迭代法构造逼近解:
零阶逼近:
(5)
阶逼近:假设k阶逼近解
已给出,则定义
阶逼近解
为下列线性系统的解:
(6)
(7)
(8)
(9)
其中
为非常数非正定矩阵。应用文献 [15] 中的多维双曲型方程的线性理论,可以得到逼近问题(6)~(9)存在局部经典解
。
3. 一致能量估计
为论文中证明部分的表述方便,定义常量M
, (10)
其中
为常数。进一步的,选择常数
,当
足够小时,可满足
(11)
其中
是引理1证明中出现的常数。
引理1假设
是由线性迭代方程组(6)~(9)构造的一组逼近解序列,则对任意
,如下估计成立:
(12)
证明我们应用 [16] 中的方法证明引理1中的结论,证明分为如下两步。
Step 1. (初始步骤):由(5)和(10)易知:
(13)
Step 2. (归纳步骤):假设:
(14)
其中:
和M是(10)和(11)确定的常数,我们将会证明:
(15)
Step 2.1. (
的估计):首先用
乘以方程(6)两端,并在
上关于变量x积分,可以得到
(16)
接下来,对任意
,关于方程(6)作用算子
,然后两端乘以
,并在
上关于变量x积分,有
(17)
利用Hölder不等式,Moser不等式,我们可以依次估计
,
(18)
(19)
(20)
(21)
在这里,我们用到了Sobolev不等式:
(22)
联立
,我们可以得到
(23)
对(23)关于r从1到s求和,并与(16)相加,有
(24)
应用Gronwall不等式,
(25)
由(10)和(11)中M和
的选取,可得
的估计:
(26)
Step 2.2. (
的估计):用
乘以方程(7)的两端,并在
上关于变量x积分,利用Hölder不等式,Young’s不等式,Sobolev不等式,以及
,我们得到
(27)
对方程(7)作用算子
(
),然后两端乘以
,并在
上关于变量x积分,有
(28)
接下来我们依次估计
(29)
(30)
(31)
(32)
在这里用到了Hölder不等式,Young’s不等式,Sobolev不等式,Moser不等式。将
,的估计带入(28)式,我们得到
(33)
对(33)的r从0到
求和,并与(27)式联立,
(34)
对(34)关于时间变量t从0到
积分,可以得到
(35)
应用Gronwall不等式,我们得到
(36)
由(10)和(11)中M和
的选取,可得
的估计:
(37)
Step 2.3. (
的估计):用
乘以方程(8)的两端,并在
上关于变量x积分,
(38)
应用Hölder不等式,Young’s不等式,Sobolev不等式,以及(26)和(37),我们估计
,
(39)
(40)
(41)
联立
,
(42)
对方程(8)作用算子
(
),然后两端乘以
,并在
上关于变量x积分,我们可以得到
(43)
由Hölder不等式,Young’s不等式,Sobolev不等式,Moser不等式,我们可以得到,
(44)
(45)
(46)
(47)
(48)
将
的估计带入(43),如下不等式成立
(49)
进一步的,对(49)的r从1到
求和,并联立(42),
(50)
对(50)关于时间变量t从0到
积分,可以得到
(51)
利用Gronwall不等式和(36)可得,
(52)
由(10)和(11)中M和
的选取,我们得到
的估计
(53)
至此,我们完成了归纳过程,引理1证毕。
4. 低阶范数收敛
在这一节中,我们将证明近似解序列
是
中的柯西序列。
其中
和
分别满足:
(54)
(55)
且具有相同的初值条件:
(56)
应用类似引理1中的方法,我们可以得到
的
-模估计。
Step 1. (
的估计):由(54)1与(55)1相减,
(57)
上述方程两端乘以
,并关于变量x在
上积分,应用第3节相同的方法,
(58)
对上述方程在
上关于变量t进行积分,我们得到
的估计。
(59)
Step 2. (
的估计):由(54)2与(55)2相减,
(60)
对上述方程两端乘以
,并关于变量x在
上积分,应用第3节相同的方法,
(61)
对上述方程在
上关于变量t进行积分,我们得到
的估计。
(62)
Step 3. (
的估计):由(54)3与(55)3相减,
(63)
对上述方程两端乘以
,并关于变量x在
上积分,应用第3节相同的方法,
(64)
为了得到
的收敛性,还需证明
收敛,因此,我们还需得到
的估计。对方程(63)作用算子
,然后方程两端同乘以
,并在
上关于变量x积分,应用第3节相同的方法,可以得到
(65)
其中上述关系中的最后第二项使用了带有
的Young’s不等式,
(66)
结合(64)与(65),并在
上进行积分,
(67)
结合(59),(62),(67),并选择
使得
可得,
(68)
对上式的
求和,并利用Gronwall不等式,
(69)
这就说明
是
中的柯西序列。
5. 局部解的存在唯一性
在这一节中,我们完成定理1的证明。
存在性证明:对于近似解
,我们在第3节中得到了一致有界性,并在第4节中证明了柯西收敛性,结合Gagliardo-Nirenberg不等式,可得到,
(70)
由(70)易知极限函数
是(1)~(2)在分布意义上的一个解,利用 [15] 中相似论点,可得到
的正则性:
(71)
利用Sobolev嵌入定理,可知
是一个经典解,存在性得证。
唯一性证明:设
和
是(1)~(2)具有相同初值条件
的两个经典解,令:
利用与第4节相同的方法,容易证明
应用Gronwall不等式,可以证明
,即:
于是唯一性得证,定理1的证明完成。
致谢
感谢佟丽宁导师对本文的指导与建议。