1. 模型与预备知识
在当代多相流体力学的研究中,颗粒与流体之间的交互作用已成为热点研究方向之一。其应用广泛涉及能源、化工、生物医药等关键领域,成为关联基础科学前沿与重大工程需求的桥梁。本文考虑一类流体粒子相互作用的Navier-Stokes-Smoluchowski模型[1]-[6]:
(1.1)
其中
。
为流体密度,
为外势力(只与重力、浮力相关),
为流体速度,
为粒子密度,
为正压力,为简单起见,假定常数
和
,粘性系数
和满
足
.考虑系统满足初始条件:
(1.2)
其中
。满系统满足速度场的无滑移边界条件以及粒子密度的无流边界条件:
(1.3)
上述模型数学理论的研究始于Ballew以及其合作者[1] [2],建立了高维弱解的整体存在性以及低分层极限的收敛性。进而,文献[3]-[5]建立了高维强解的局部适定性以及小条件整体适定性。对于一维固定边界问题,文献[6]建立了经典解的整体适定性。而关于该模型的自由边界问题,目前而言结果较少。
借助拉格朗日坐标变换,可以将自由边界转化为固定边界
。考虑拉格朗日坐标变换如下:
(1.4)
(1.5)
根据拉格朗日变换,方程组(1.1)可改写为:
(1.6)
考虑流体、粒子质量守恒,不妨设:
(1.7)
系统的初始条件变为:
(1.8)
边界条件变为:
(1.9)
考虑粒子密度满足结构性条件:
(1.10)
其中,稳态解
满足稳态方程:
(1.11)
定义依赖于压力项与稳态解两个辅助函数:
(1.12)
其中,
,且
(1.13)
改写(1.6)2为
(1.14)
1989年,Mari Okada [7]探讨了一维可压缩Navier-Stokes方程自由边界问题的全局解的存在性以及长时间行为;1992年,Okada和Makino [8]考虑球对称情形的自由边界问题,得到全局弱解的存在性。2013年,黄金锐等人[9]证明了初始密度真空跳跃连接条件下,向列型液晶Ericksen-Leslie简化系统全局经典解的存在唯一性;2015年,黄金锐和丁时进[10]进一步得到了初始真空连续连接条件下全局弱解的存在性。基于对已有文献的研究,本文考虑一维Navier-Stokes-Smoluchowski系统耦合模型的自由边界问题,分析系统的基本能量不等式。
2. 主要结果
主要问题是建立系统(1.6),(1.8),(1.9),(1.10)的基本能量率。
定理1:假定
为系统(1.6),(1.8),(1.9),(1.10)的全局强解,则存在常数
,使得:
(2.1)
其中,
以及
.
证明:证明主要分成三步。
步骤一:用u点乘(1.14)并在空间I上进行积分,分部积分并结合边界条件(1.9),可得:
(2.2)
根据定义(1.12),有
(2.3)
从而利用分部积分以及(1.6)1,可得
(2.4)
另外,由于
(2.5)
可得
(2.6)
再次应用分部积分、(1.6)3、边界条件(1.9)以及
,可得:
(2.7)
综合上述(2.2)~(2.5),可得:
(2.8)
步骤二:将
乘以(1.6)3并在空间I上积分可得:
(2.9)
由于
,对上式分部积分并利用(1.6)1以及(1.9),整理后得到:
(2.10)
结合(2.8)与(2.10)式得到:
(2.11)
另外,将
乘以(1.6)的第三条式子并在空间I上积分以及分部积分得到:
(2.12)
结合上述(2.11)与(2.12)式可得:
(2.13)
步骤三:下文证明(2.11)的右端项满足如下不等式:
(2.14)
证明:通过引入稳态解,可得
(2.15)
应用Hölder不等式,Cauchy不等式,可得:
(2.16)
根据
,可得:
(2.17)
从而
。
通过(2.16)式得到:
(2.18)
整理(2.13)与(2.18)式得出:
(2.19)
(2.19)两边关于时间方向在
上积分,并应用(1.10),可得,对任意的
,有
(2.20)
定理1证毕。 □
基金项目
国家自然科学基金面上项目(11971357);广东省自然科学基金面上项目(2023A1515010213)。
NOTES
*通讯作者。