分数阶Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间中解的爆破准则
On the Blow-Up Criterion for Solutions of 3D Fractional Navier-Stokes Equations in Homogeneous Sobolev Spaces
DOI: 10.12677/AAM.2023.121026, PDF, HTML, XML, 下载: 186  浏览: 2,530 
作者: 徐郜婷, 孙小春*, 吴育联:西北师范大学,甘肃 兰州
关键词: 分数阶Navier-Stokes方程衰减性爆破准则Fractional Navier-Stokes Equation Decay Blow-Up Criterion
摘要: 本文在最大时间Tv*有限时,利用Fourier变换的性质,齐次Sobolev空间中的插值结果以及乘积定理,研究了分数阶三维不可压缩Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间Hs中解的爆破性和L2范数的衰减性,以及解关于H2-a范数、范数和范数的有界性,是对Benameur J的经典Navier-Stokes方程结论的推广。
Abstract: In this paper, when the maximum time Tv* is finite, the blow-up of the solutions to the fractional 3D incompressible Navier-Stokes equations in Hs spaces and the decay in L2 norm and the boundedness of the solution with respect to H2-a norm, norm and norm are stud-ied, via using the property of Fourier transform, interpolation results and product law in the homo-geneous Sobolev spaces. It’s a generalization of the classical Navier-Stokes equations conclusion of Benameur J.
文章引用:徐郜婷, 孙小春, 吴育联. 分数阶Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间中解的爆破准则[J]. 应用数学进展, 2023, 12(1): 231-239. https://doi.org/10.12677/AAM.2023.121026

1. 引言

本文研究分数阶不可压缩Navier-Stokes方程的初值问题

{ t u + ν ( Δ ) α u + ( u ) u = p , div u = 0 , u ( 0 ) = u 0 , (1.1)

在最大存在时间附近解的性质以及在齐次Sobolev空间的爆破性。其中 ν 为流体的粘性系数, α > 0 表示“耗散强度”。向量函数 u ( t , x ) = ( u 1 ( t , x ) , u 2 ( t , x ) , u 3 ( t , x ) ) 表示流体在 ( t , x ) R + × R 3 的未知速度, u 0 = ( u 1 0 ( t , x ) , u 2 0 ( t , x ) , u 3 0 ( t , x ) ) 是给定的初始速度,标量函数 p = p ( t , x ) 表示流体在 ( t , x ) R + × R 3 所受的未知压力, Δ = j = 1 n x j 2 是关于空间变量 x = ( x 1 , x 2 , x 3 ) 的Laplacian微分算子。

对于经典不可压缩Navier-Stokes方程,Kato T在文献 [1] 和Leray J在文献 [2] 中研究了解的局部存在性和唯一性。Benameur J在文献 [3] 中研究了非齐次Sobolev空间中解的爆破准则,即 u ( t ) H ˙ s ( T ν * t ) s 3 ( s > 5 2 ) ,其中 T ν * 是最大存在时间。Robinson JC,Sadowski W,Silva RP在文献 [4] 中证明了 u ( t ) H ˙ s ( T ν * t ) 2 s 1 4 ( 1 2 < s < 5 2 , s 3 2 ) u ( t ) H ˙ s ( T ν * t ) 2 s 5 ( s > 5 2 ) 。Cortissoz C,Montero JA,Pinilla CE在文献 [5] 中研究了解的 H ˙ 3 2 范数和 H ˙ 5 2 范数的下界。Cheskidov A,Zaya K在文献 [6] 中证明了解在 H ˙ 3 2 空间的强爆破估计。Benameur J在文献 [7] 中研究了解在 H ˙ 5 2 空间的爆破准则。

本文研究分数阶不可压缩Navier-Stokes方程(1.1)的解在 H ˙ s 空间中的爆破和 L 2 范数衰减,以及解关于 H ˙ 2 α 范数和 H ˙ 5 2 α 范数和 H ˙ 7 2 α 范数的有界性,是对Benameur J文献 [3] [7] 中结论的推广。主要结果如下:

定理1 设 α > 1 s > max { α 1 , 3 2 } lim sup t T ν * u ( t ) H ˙ s 2 = u C ( [ 0 , T ν * ) ; H ˙ s ) 是方程(1.1)的极大解,若 T ν * < ,则有

c ν s 3 ( T ν * t ) s 3 u ( t ) L 2 2 s 3 1 u ( t ) H ˙ s .

定理2 设 1 < α < 2 lim sup t T ν * u ( t ) H ˙ 2 α 2 = u C ( [ 0 , T ν * ) ; H ˙ 2 α ) 是方程(1.1)的极大解,若 T ν * < ,则有

c ν T ν * t u H ˙ 1 α .

定理3 设 1 < α < 5 2 u C ( [ 0 , T ν * ) ; H ˙ 5 2 α ) 是方程(1.1)的极大解,若 T ν * < ,则有

c ν T ν * t u ( t ) H ˙ 5 2 α .

定理4 设 1 < α < 7 2 u C ( [ 0 , T ν * ) ; H ˙ 7 2 α ) 是方程(1.1)的极大解,若 T ν * < ,则有

c ( α 1 ) 1 α + 1 ( T ν * t ) 2 α + 1 u ( t ) H ˙ 7 2 α .

2. 预备知识

1) [7] Fourier变换定义为:

F ( f ) ( ξ ) = f ^ ( ξ ) = R 3 exp ( i x ξ ) f ( x ) d x , ξ = ( ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ) R 3 , f L 1 ( R 3 ) .

2) 分数阶Laplacian微分算子通过Fourier变换定义为:

F ( ( Δ ) α u ) ( t , ξ ) = | ξ | 2 α F u ( t , ξ ) .

关于 ( Δ ) α 的更多详细描述见文献 [8]。

3) [7] R 3 上函数 f ( x ) , g ( x ) 定义其卷积为:

f g ( x ) = R 3 f ( x y ) g ( y ) d y = R 3 f ( y ) g ( x y ) d y .

4) [7] 若 f = ( f 1 , f 2 , f 3 ) g = ( g 1 , g 2 , g 3 ) 是两个向量场,则

f g : = ( g 1 f , g 2 f , g 3 f ) ,

div ( f g ) : = ( div ( g 1 f ) , div ( g 2 f ) , div ( g 3 f ) ) .

5) [7] 齐次Sobolev空间定义为: H ˙ s ( R 3 ) = { f S ( R 3 ) , f ^ L l o c 1 , | ξ | s f ^ L 2 ( R 3 ) } ,其范数为

f H ˙ s = ( R 3 | ξ | 2 s | f ^ ( ξ ) | 2 d ξ ) 1 2 .

6) [7] Lei-Lin空间定义为: χ σ ( R 3 ) = { f S ( R 3 ) , f ^ L l o c 1 , | ξ | σ f ^ L 1 ( R 3 ) } ,其范数为

f χ σ = R 3 | ξ | σ | f ^ ( ξ ) | d ξ .

引理1 [9] 对于 s > 3 2 ,有

u ^ L 1 C u L 2 1 3 2 s u H ˙ s 3 2 s .

其中 C = 2 π 3 ( ( 2 s 3 1 ) 3 4 s + ( 2 s 3 1 ) 1 + 3 4 s )

引理2 [10] 设 s , s R s < 1 s + s > 0 ,则存在常数 C = C ( s , s ) ,使得 f , g H ˙ s H ˙ s ,有

f g H ˙ s + s 1 C ( f H ˙ s g H ˙ s + f H ˙ s g H ˙ s ) .

s , s < 1 s + s > 0 ,则存在常数 C = C ( s , s ) ,使得 f H ˙ s , g H ˙ s ,有

f g H ˙ s + s 1 C f H ˙ s g H ˙ s .

引理3 [11] 设 s , s R s < 3 2 s + s > 0 ,则存在常数 C = C ( s , s ) ,使得 f , g H ˙ s H ˙ s

f g H ˙ s + s 3 2 C ( f H ˙ s g H ˙ s + f H ˙ s g H ˙ s ) .

s , s < 3 2 s + s > 0 ,则存在常数 C = C ( s , s )

f g H ˙ s + s 3 2 C f H ˙ s g H ˙ s .

引理4 [7] 对于 s 0 ,若 f H ˙ s χ 1 ,则存在常数 C > 0

| f f H ˙ s | C f χ 1 f H ˙ s 2 .

引理5 [12] Gronwall不等式(微分形式)设 y ( t ) [ 0 , T ] 上的非负绝对连续函数, h ( t ) g ( t ) [ 0 , T ] 上的非负可积函数,且满足

y ( t ) h ( t ) y ( t ) + g ( t ) , a .e . t [ 0 , T ] .

那么

y ( t ) e 0 t h ( τ ) d τ [ y ( 0 ) + 0 t g ( τ ) d τ ] .

引理6 对于 f H ˙ 7 2 α ,存在常数 C > 0 ,使得 0 < a < b < ,有

f χ 1 C 4 π [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u H ˙ 7 2 α + 1 b u H ˙ 7 2 ] .

证明:设 0 < a < b <

f χ 1 = | ξ | | f ^ ( ξ ) | d ξ = I a + J a , b + K b ,

I a = | ξ | < a | ξ | | f ^ ( ξ ) | d ξ ( | ξ | < a | ξ | 2 d ξ ) 1 2 f L 2 4 π 5 a 5 2 f L 2 .

J a , b = a < | ξ | < b | ξ | | f ^ ( ξ ) | d ξ ( a < | ξ | < b | ξ | 2 α 5 d ξ ) 1 2 f H ˙ 7 2 α 2 π α 1 b 2 α 2 a 2 α 2 f H ˙ 7 2 α 2 π α 1 b 2 α 2 f H ˙ 7 2 α .

K b = | ξ | > b | ξ | | f ^ ( ξ ) | d ξ ( | ξ | > b | ξ | 5 d ξ ) 1 2 f H ˙ 7 2 2 π 1 b f H ˙ 7 2 .

3. 定理1的证明

证明:方程(1.1)在 H ˙ s 空间下与u取内积

t u , u H ˙ s + ν ( Δ ) α u , u H ˙ s + u u , u H ˙ s = p , u H ˙ s ,

则有

1 2 t u H ˙ s 2 + ν Λ α u H ˙ s 2 | u u , u H ˙ s | = R 3 | ξ | 2 s u u ^ u ^ d ξ = R 3 | ξ | 2 s + 1 u u ^ u ^ d ξ = R 3 | ξ | s α + 1 u u ^ | ξ | s Λ α ^ u d ξ ( R 3 | ξ | 2 ( s α + 1 ) u u ^ 2 d ξ ) 1 2 ( R 3 | ξ | 2 s Λ α ^ u 2 d ξ ) 1 2 = u u H ˙ s α + 1 Λ α u H ˙ s .

u u H ˙ s α + 1 2 = R 3 | ξ | 2 ( s α + 1 ) | u ^ u ^ | 2 d ξ = R 3 | ξ | 2 ( s α + 1 ) | R 3 u ^ ( η ) u ^ ( ξ η ) d η | 2 d ξ R 3 | ξ | 2 ( s α + 1 ) ( R 3 | u ^ ( η ) | | u ^ ( ξ η ) | d η ) 2 d ξ R 3 ( R 3 | ξ | s α + 1 | u ^ ( η ) | | u ^ ( ξ η ) | d η ) 2 d ξ .

| ξ | s α + 1 = | ξ η + η | s α + 1 ( | ξ η | + | η | ) s α + 1 ( 2 max ( | ξ η | , | η | ) ) s α + 1 2 s α + 1 ( | ξ η | s α + 1 + | η | s α + 1 ) .

u u H ˙ s α + 1 2 R 3 ( R 3 2 s α + 1 | ξ η | s α + 1 | u ^ ( η ) | | u ^ ( ξ η ) | d η ) 2 d ξ + R 3 ( R 3 2 s α + 1 | η | s α + 1 | u ^ ( η ) | | u ^ ( ξ η ) | d η ) 2 d ξ = 2 2 ( s α + 1 ) + 1 R 3 ( R 3 | η | s α + 1 | u ^ ( η ) | | u ^ ( ξ η ) | d η ) 2 d ξ = 2 2 ( s α + 1 ) + 1 R 3 ( ( | | s α + 1 | u ^ | ) | u ^ | ) 2 d ξ

= 2 2 ( s α + 1 ) + 1 ( | | s α + 1 | u ^ | ) | u ^ | L 2 2 2 2 ( s α + 1 ) + 1 ( | | s α + 1 | u ^ | ) L 2 2 u ^ L 1 2 = 2 2 ( s α + 1 ) + 1 u H ˙ s α + 1 2 u ^ L 1 2 .

则有

1 2 t u H ˙ s 2 + ν Λ α u H ˙ s 2 2 s α + 3 2 u H ˙ s α + 1 u ^ L 1 Λ α u H ˙ s 2 2 s 2 α + 3 ν 1 u H ˙ s α + 1 2 u ^ L 1 2 + ν 2 Λ α u H ˙ s 2 .

t u H ˙ s 2 + ν Λ α u H ˙ s 2 C ν 1 u H ˙ s α + 1 2 u ^ L 1 2 C ν 1 u H ˙ s 2 u ^ L 1 2 .

由引理5,对 0 a t < T ν *

u ( t ) H ˙ s 2 u ( a ) H ˙ s 2 e c ν 1 a t u ^ L 1 2 d τ .

因为 lim sup t T ν * u ( t ) H ˙ s 2 = ,所以 a T ν * u ^ L 1 2 d τ =

由引理1, u ^ L 1 C u L 2 1 3 2 s u H ˙ s 3 2 s

u ^ L 1 4 s 3 C u L 2 4 s 3 2 u H ˙ s 2 u ( a ) H ˙ s 2 e c ν 1 a t u ^ L 1 2 d τ ,

u ^ L 1 4 s 3 C u L 2 4 s 3 2 u ( a ) H ˙ s 2 e c ν 1 a t u ^ L 1 2 d τ ,

u ^ L 1 2 e c ν 1 a t u ^ L 1 2 d τ C u L 2 2 3 s u ( a ) H ˙ s 3 s .

[ a , T ] 上对上式积分有

1 e c ν 1 a t u ^ L 1 2 d τ C ν 1 ( T a ) u L 2 2 3 s u ( a ) H ˙ s 3 s .

T T ν * 时,有

1 C ν 1 ( T ν * a ) u L 2 2 3 s u ( a ) H ˙ s 3 s

C ν s 3 ( T ν * t ) s 3 u ( t ) L 2 2 s 3 1 u ( t ) H ˙ s .

从而结论得证。

4. 定理2的证明

证明:方程(1.1)在 H ˙ 2 α 空间下与u取内积

t u , u H ˙ 2 α + ν ( Δ ) α u , u H ˙ 2 α + u u , u H ˙ 2 α = p , u H ˙ 2 α ,

则有

1 2 t u H ˙ 2 α 2 + ν Λ α u H ˙ 2 α 2 | u u , u H ˙ 2 α | = R 3 | ξ | 5 2 α u u ^ u ^ d ξ = R 3 | ξ | 3 2 α u u ^ | ξ | 2 α | ξ | α u ^ d ξ u u H ˙ 3 2 α Λ α u H ˙ 2 α .

由引理2及不等式 a b a 2 2 + b 2 2

1 2 t u H ˙ 2 α 2 + ν Λ α u H ˙ 2 α 2 C u H ˙ 2 α u H ˙ 2 α Λ α u H ˙ 2 α C ν 1 u H ˙ 2 α 4 + ν 2 Λ α u H ˙ 2 α 2 .

t u H ˙ s 2 + ν Λ α u H ˙ s 2 C ν 1 u H ˙ 2 α 4 .

由引理5,对于 0 a t < T ν *

u ( t ) H ˙ 2 α 2 u ( a ) H ˙ 2 α 2 e C ν 1 a t u ( τ ) H ˙ 2 α 2 d τ .

因为 lim sup t T ν * u ( t ) H ˙ 2 α 2 = ,所以 a T ν * u ( t ) H ˙ 2 α 2 =

u H ˙ 2 α 2 e C ν 1 a t u ( τ ) H ˙ 2 α 2 d τ u ( a ) H ˙ 2 α 2 .

[ a , T ] 上对上式积分有

1 e C ν 1 a T u ( τ ) H ˙ 2 α 2 d τ C ν 1 ( T a ) u ( a ) H ˙ 2 α 2 .

T T ν * 时,有

1 C ν 1 ( T ν * a ) u ( a ) H ˙ 2 α 2 ,

c ν T ν * t u ( t ) H ˙ 2 α .

c ν T ν * t u H ˙ 1 α .

从而结论得证。

5. 定理3的证明

证明:方程(1.1)在 H ˙ 5 2 α 空间下与u取内积

t u , u H ˙ 5 2 α + ν ( Δ ) α u , u H ˙ 5 2 α + u u , u H ˙ 5 2 α = p , u H ˙ 5 2 α ,

则有

1 2 t u H ˙ 5 2 α 2 + ν u H ˙ 5 2 2 | u u , u H ˙ 5 2 α | = R 3 | ξ | 6 2 α u u ^ u ^ d ξ = R 3 | ξ | 7 2 2 α u u ^ | ξ | 5 2 u ^ d ξ u u H ˙ 7 2 2 α u H ˙ 5 2 .

由引理3及不等式 a b a 2 2 + b 2 2

1 2 t u H ˙ 5 2 α 2 + ν u H ˙ 5 2 2 C u H ˙ 5 2 α u H ˙ 5 2 α u H ˙ 5 2 C ν 1 u H ˙ 5 2 α 4 + ν 2 u H ˙ 5 2 2 .

t u H ˙ 5 2 α 2 C ν 1 u H ˙ 5 2 α 4 .

[ t , T ν * ) [ 0 , T ν * ) 上对上式积分有

u H ˙ 5 2 α 2 C ν 1 ( T ν * t ) u H ˙ 5 2 α 4 ,

c ν T ν * t u ( t ) H ˙ 5 2 α .

从而结论得证。

6. 定理4的证明

证明:方程(1.1)在 H ˙ 7 2 α 空间下与u取内积

t u , u H ˙ 7 2 α + ν ( Δ ) α u , u H ˙ 7 2 α + u u , u H ˙ 7 2 α = p , u H ˙ 7 2 α ,

则有

1 2 t u H ˙ 7 2 α 2 + ν u H ˙ 7 2 2 | u u , u H ˙ 7 2 α | .

由引理4,

1 2 t u H ˙ 7 2 α 2 + ν u H ˙ 7 2 2 c u χ 1 u H ˙ 7 2 α 2 .

由引理6,

1 2 t u H ˙ 7 2 α 2 + ν u H ˙ 7 2 2 c u H ˙ 7 2 α 2 [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u H ˙ 7 2 α + 1 b u H ˙ 7 2 ] c u H ˙ 7 2 α 2 [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u H ˙ 7 2 α ] + c ν b 2 u H ˙ 7 2 α 4 + ν 2 u H ˙ 7 2 2 .

则有

t u H ˙ 7 2 α 2 c u H ˙ 7 2 α 2 [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u H ˙ 7 2 α + 1 ν b 2 u H ˙ 7 2 α 2 ] .

t 0 = inf { t [ 0 , T ν * ) , u H ˙ 7 2 α = 2 u 0 H ˙ 7 2 α } ,对上式积分有

u H ˙ 7 2 α 2 u 0 H ˙ 7 2 α 2 c T ν * u H ˙ 7 2 α 2 [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u H ˙ 7 2 α + 1 ν b 2 u H ˙ 7 2 α 2 ] ,

3 u 0 H ˙ 7 2 α 2 c T ν * u 0 H ˙ 7 2 α 2 [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u 0 H ˙ 7 2 α + 1 ν b 2 u 0 H ˙ 7 2 α 2 ] ,

1 c T ν * [ a 5 2 u L 2 + b 2 α 2 α 1 u 0 H ˙ 7 2 α + 1 ν b 2 u 0 H ˙ 7 2 α 2 ] .

a = u 0 H ˙ 7 2 α 2 5 < b = u 0 H ˙ 7 2 α

1 c T ν * [ u 0 H ˙ 7 2 α u L 2 + 1 α 1 u 0 H ˙ 7 2 α α 1 u 0 H ˙ 7 2 α + 1 ν u 0 H ˙ 7 2 α ] ,

1 c T ν * u 0 H ˙ 7 2 α [ u L 2 + 1 α 1 u 0 H ˙ 7 2 α α 1 + 1 ν ] .

t 1 [ 0 , T ν * )

1 α 1 u 0 H ˙ 7 2 α α 1 2 ( u L 2 + 1 ν ) .

1 c ( T ν * t 1 ) u ( t 1 ) H ˙ 7 2 α 1 α 1 u ( t 1 ) H ˙ 7 2 α α 1 .

用任意的 t [ t 1 , T ν * ) 替换 t 1

c ( α 1 ) 1 α + 1 ( T ν * t ) 2 α + 1 u ( t ) H ˙ 7 2 α .

因此结论得证。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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