1. 引言
Boussinesq方程组描述地球物理流,对生活中的气象预报、龙卷风等自然灾害等的研究都有积极现实意义 [1] ,该方程组在Rayleigh-Bérnard对流 [2] [3] 中扮演至关重要的角色。考虑如下一类非牛顿Boussinesq方程组的初边值问题:
(1)
其中:未知函数
,
以及p,
分别表示流体速度、温度、压力和
中的单位向量。
,
,
。
表示应力速率张量。
,
为给定的外力项。
以及
,
。
表示流体密度,
表示热传导系数,均取常数。为讨论方便,取
。
在自然界和工业界中都存在着大量的非牛顿流体,如建筑界中的沥青、水泥浆、下水道中的污泥。食品工业中的奶油、蜂蜜和蛋白、大多数油类和润滑脂。高聚物熔体和溶液以及人体中的血液等。非牛顿流体的研究对这些工业的发展具有重大的现实意义。
当不考虑温度(
)时,系统(1)退化为经典的不可压非牛顿流方程组,目前关于不可压非牛顿流有一系列的研究,具体参见文献 [4] - [9] 。当把温度(
)纳入考虑时,问题(1)成为非牛顿Boussinesq模型。由于Boussinesq方程组中温度和速度耦合项产生的困难,与不可压非牛顿流相比,关于该类方程组各类初边值解的研究还很少。文献 [10] 中对一类修正的双极粘性流体的Boussinesq近似进行了研究,并证明了当
时弱解的存在唯一性。文献 [11] 研究一类稳态不可压Boussinesq第一边值问题,应用迭代方法证明正则解存在唯一性。目前,关于Boussinesq方程组的研究主要集中在牛顿流模型,关于非牛顿Boussinesq方程组的研究还不多,且主要集中在弱解的存在性、唯一性等方面。本文在三维光滑有界域
中,考虑一类周期边界条件下正则解的存在性。
2. 预备知识与主要结果
本文用
表示标准的Lebesgue空间,其范数用
表示,
表示通常的Sobolev空间,其范数用
表示。设X为定义范数
的Banach空间,用
表示通常的Bochner空间,其中范数用
表示。
引入函数空间
在
-范数意义下的闭包,
在
-范数意义下的闭包。
这里下标'per'表示该函数空间中的函数沿空间各方向都具有周期性且在所讨论区域上满足零均值条件。
下面给出问题(1)正则解的定义
定义1:假设
,
,
,
。若
满足下述条件
1)
,
,
,
,
,
;
2)
,
;
3) 对
,
以及
有
则称
为问题(1)的正则解。
在后续中,为方便起见,省略下标'per'。
设
为满足如下条件的常数,C是计算中产生的与
有关的常数。
(2)
本文的主要定理如下:
定理1:设
,
满足
(3)
则问题(1)至少存在一个定义1意义下的解
。此外,对
解
满足估计
下面给出本文证明中用到的引理:
引理1 [5] :对于
,定义
,若
,则
引理2:当
且
时,如果
,
有
3. 定理1的证明
定理1的证明分多步完成:在3.1节,我们构造问题(1)的逼近方程,并证明相应的Galerkin近似解的存在性;在3.2节,我们推导近似解的一致性先验估计;最后,在3.3节讨论近似解的收敛性,并最终证明原问题正则解的存在性结果。
3.1. 近似解的构造
由于问题(1)具有奇异性,故我们首先对问题正则化,设
,记
,考虑如下初边值问题
(4)
设
为Stokes算子A的特征函数族,
是相应的特征值且
。设
为Laplace算子
的特征函数族,
是相应的特征值且
。定义投影算子
分别如下
我们寻求问题(4)如下形式的解
其中对
,系数
满足
(5)
(6)
(7)
由Carathéodory定理可知存在
,使得问题(5)-(7)在
上存在光滑解
。接下来,我们推导
关于n的一致性先验估计,由这些估计可知
。
3.2. 一致性先验估计
3.2.1.
与
的估计
在式(6)两端乘以
并关于k求和,应用引理1、Hölder不等式和Young不等式,有
从而由Gronwall不等式可得
(8)
在式(5)两端乘以
并关于k求和,应用引理1,有
又由于
并应用Hölder不等式、
和Young不等式,有
并对上式应用式(8),可得
故利用Gronwall不等式可得
(9)
3.2.2.
与
的估计
在式(5),(6)两端分别乘以
并关于k求和,得
(10)
(11)
对式(10)左端第二项进行整理可得
(12)
为方便起见,记
。
对式(10)右端第一项进行处理,由文献 [12] 知
,则
(13)
事实上,当
时,因为
,从而由插值不等式及Sobolev嵌入定理可得
将式(12),(13)代入式(10)并对等式右端应用Hölder不等式,Sobolev嵌入得
对上式左端第二项应用引理2,右端应用Young不等式得
(14)
这里,
,
。
对式(11)右端第一项应用引理1,Hölder不等式和Sobolev嵌入有
将上式代入式(11),并应用Hölder不等式,Young不等式得
整理后得
(15)
由假设
及
的连续性,令
分别是满足
,
的最小时刻,下面对
分情况讨论。
1) 情形一:
。
由假设知
,
,
,由于
任意小,为方便起见,取
并在式(14)中取
,应用式(3),得
对上式应用式(2),有
由Sobolev嵌入有
即
再次应用式(2),得
,即
。
在式(15)中令
,应用式(3)和上式,得
对上式应用式(2),得
由Sobolev嵌入进而有
即
再次应用式(2),得
,即
。
2) 情形二:
。
与
的证明类似的步骤,可以证得
。
3) 情形三:
。
与
的证明类似的步骤,证得
。
综合上述,对任意的
,都有
(16)
3.2.3.
与
的估计
由式(14)和式(15)知
(17)
(18)
对式(17),(18)在
上积分得
(19)
(20)
由式(19),(20)得
(21)
(22)
3.2.4.
与
的估计
在式(5),(6)两端分别乘以
并关于k求和,得
(23)
对式(23),(24)右端应用Hölder不等式、Sobolev嵌入、Young不等式,和式(16)得
(24)
(25)
(26)
对式(25),(26)两端在
上积分,并应用式(3),式(19)得
(27)
(28)
由式(27),(28)可得
(29)
(30)
对所有的
和
,应用Hölder不等式有
(31)
知
。
3.3. 近似解的收敛性和存在性证明
由式(21),(22),(29),(30)可得下列收敛性
弱收敛于
(32)
弱收敛于
(33)
弱收敛于
(34)
弱收敛于
(35)
由于
↪↪
,
↪↪
,利用Aubin-Lions引理可得
强收敛于
(36)
强收敛于
(37)
利用
范数下半连续性及式(16)有
(38)
由式(32),(34)知
,
,进而可得
(39)
由式(33),(35)知
,
,有
(40)
由式(36),(37)知,对
有
强收敛于
强收敛于
(41)
由式(41)以及
的连续性知,对所有
强收敛于
(42)
因此,根据式(31),应用Vitali’s收敛定理得
(43)
由式(5),(6)知,对于固定的
和
,有
(44)
在式(41)两端乘以
,关于t在
上积分有
(45)
在式(45)中令
取极限,对任意的
,由式(32)-(35)和式(43)有
(46)
由式(39)的正则性知,对
有
(47)
令
取极限,采用与上述
同样的方法,我们得到
定理1得证。
4. 总结
本文在三维空间中考虑一类不可压非牛顿Boussinesq方程组的周期初边值问题,给出了证明正则解存在性的详细步骤,采用Galerkin方法构造近似解序列
,通过对近似解序列
进行一致估计以及收敛性的证明并利用紧性方法证明其解的存在性。
基金项目
吉林省教育厅科学研究项目(项目号:JJKH20230790KJ)。
NOTES
*通讯作者。