一维Navier-Stokes-Smoluchowski系统的自由边界问题
Free Boundary Problem for One-Dimensional Navier-Stokes-Smoluchowski Systems
DOI: 10.12677/aam.2025.1412498, PDF, HTML, XML,    国家自然科学基金支持
作者: 丁茵菲, 黄金锐*:五邑大学数学与计算科学学院,广东 江门
关键词: Navier-Stokes-Smoluchowski系统自由边界问题基本能量不等式Navier-Stokes-Smoluchowski System Free Boundary Problem Basic Energy Law
摘要: 研究了一类可压缩粒子流体耦合模型的一维自由边界问题,借助拉格朗日坐标变换建立解的基本能量不等式。
Abstract: The one-dimensional free boundary problem of a particle-fluid interation model is studied in this paper, and the basic energy law is established by Lagrange coordinate transformation.
文章引用:丁茵菲, 黄金锐. 一维Navier-Stokes-Smoluchowski系统的自由边界问题[J]. 应用数学进展, 2025, 14(12): 183-189. https://doi.org/10.12677/aam.2025.1412498

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]

{ ρ t + ( ρu ) x =0, ( ρu ) t + ( ρ u 2 ) x + ( P( ρ,η ) ) x +( ρ+η ) Φ x + η x ( 2μ u x ) x ( λ u x ) x =0, η t + ( η( u Φ x ) ) x η xx =0. (1.1)

其中 ( x,t )( a( t ),b( t ) )× [ 0,T ] ρ 为流体密度, Φ 为外势力(只与重力、浮力相关), u 为流体速度, η 为粒子密度, P ˜ = P ˜ ( ρ,η )=A ρ γ +η 为正压力,为简单起见,假定常数 γ>1 A>0 ,粘性系数 μ 和满 λ μ>0,2μ+λ0 .考虑系统满足初始条件:

( ρ,u,η )| t=0 =( ρ 0 ( x ), u 0 ( x ), η 0 ( x ) ). (1.2)

其中 x[ a( 0 ),b( 0 ) ] 。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:

u( x,t )| x=a( t ),b( t ) =0, ( η x +η Φ x )| x=a( t ),b( t ) =0. (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 ( y,τ )[ 0,1 ]×[ 0,T ] 。考虑拉格朗日坐标变换如下:

y= 0 x ρ( ξ,t )dξ ,t=τ. (1.4)

y x =ρ( x,t ). (1.5)

根据拉格朗日变换,方程组(1.1)可改写为:

{ ρ τ + ρ 2 u y =0, u τ + ( P( ρ ) ) y + η y =( 2μ+λ ) ( ρ u y ) y ( ρ+η ) Φ y , η τ +ρη u y ρ ( ρ η y ) y ρ ( ρη Φ y ) y =0. (1.6)

考虑流体、粒子质量守恒,不妨设:

0 1 ρ( ξ,t )dξ =1, 0 1 η( ξ,t )dξ =1. (1.7)

系统的初始条件变为:

( ρ,u,η )| τ=0 =( ρ 0 , u 0 , η 0 ),y[ 0,1 ]. (1.8)

边界条件变为:

u( y,τ )=( ρ η y +ρη Φ y )( y,τ )=0,y=0,1,τ[ 0,T ]. (1.9)

考虑粒子密度满足结构性条件:

0 τ sup xI | η η s | 2 dσ C,τ[ 0,T ]. (1.10)

其中,稳态解 ( ρ s , η s ) 满足稳态方程:

{ P y ( ρ s )= ρ s Φ y , ( η s ) y = η s Φ y . (1.11)

定义依赖于压力项与稳态解两个辅助函数:

G 1 ( ρ )= ρ s ρ ρ s r P ( s ) s dsdr =ρ ρ s ρ P( s )P( ρ s ) s 2 ds , G 2 ( η )=η η s η s η s s 2 ds . (1.12)

其中, G 1 ( ρ s )=0 ,且

G 1 ( ρ )= G 1 ( ρ )+P( ρ )P( ρ s ) ρ , G 1 ( ρ s )=0, G 1 ( ρ )= P ( ρ ) ρ . (1.13)

改写(1.6)2

u τ +ρ( P y ( ρ ) ρ P y ( ρ s ) ρ s )+η( η y η ( η s ) y η s )=( 2μ+λ ) ( ρ u y ) y . (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 ( ρ,u,η ) 为系统(1.6),(1.8),(1.9),(1.10)的全局强解,则存在常数 C( E 0 ,T ) ,使得:

I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 2 ( η ) ρ + ηlnη ρ + 2ηΦ ρ ] ( ,τ )dy+ 2μ+λ 2 0 T I ρ u y 2 dydσ + 0 T I 2ρ | η y η + η Φ y | 2 dydσ C( E 0 ,T ). (2.1)

其中, τ[ 0,T ] 以及 E 0 = I [ | u 0 | 2 2 + G 1 ( ρ 0 ) ρ 0 + G 1 ( η 0 ) ρ 0 + η 0 ln η 0 ρ 0 + 2 η 0 Φ ρ 0 ]dy .

证明:证明主要分成三步。

步骤: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:

d dτ I | u | 2 2 dy + I ρu( P y ( ρ ) ρ P y ( ρ s ) ρ s )dy + I ηu( η y η η sy η s )dy =( 2μ+λ ) I ρ u y 2 dy. (2.2)

根据定义(1.12),有

G 1 ( ρ )= ρ s ρ P ( s ) s ds = ρ s ρ Aγ s γ2 ds = Aγ γ1 ( ρ γ1 ρ s γ1 ). (2.3)

从而利用分部积分以及(1.6)1,可得

I ρu( P y ( ρ ) ρ P y ( ρ s ) ρ s )dy =Aγ I ρu( ρ γ2 ρ y ρ s γ2 ( ρ s ) y )dy = I ρu ( G 1 ( ρ ) ) y dy = I ( ρu ) y G 1 ( ρ )dy = I ( ρ τ ρ u ρ y ) G 1 ( ρ )dy = I ρ τ ρ G 1 ( ρ )dy + I u y G 1 ( ρ )dy = d dτ I G 1 ( ρ ) ρ dy. (2.4)

另外,由于

G 2 ( η )=η ( lns+ η s 1 s )| η s η =ηln η η s + η s η, G 2 ( η )= G 2 ( η )+η η s η =ln η η s , (2.5)

可得

I ηu( η y η ( η s ) y η s )dy = I ηu ( ln η η s ) y dy = I ηu ( G 2 ( η ) ) y dy = I ( ηu ) y G 2 ( η )dy . (2.6)

再次应用分部积分、(1.6)3、边界条件(1.9)以及 G 2 ( η )= 1 η ,可得:

I ηu( η y η η sy η s )dy = I ( ηu ) y G 2 ( η )dy = I [ η τ ρ ( ρ η y ) y ( ρη Φ y ) y ] G 2 ( η )dy I u η y G 2 ( η )dy = I ( G 2 ( η ) ) τ ρ dy + I ( ρ η y +ρη Φ y ) ( G 2 ( η ) ) y dy I u η y G 2 ( η )dy = d dτ I G 2 ( η ) ρ dy + I G 2 ( η ) ρ 2 ρ τ dy + I ( ρ η y +ρη Φ y ) G 2 ( η ) η y dy I u ( G 2 ( η ) ) y dy = d dτ I G 2 ( η ) ρ dy I G 2 ( η ) u y dy + I ( ρ η y +ρη Φ y ) η y η dy + I u y G 2 ( η )dy = d dτ I G 2 ( η ) ρ dy + I ρ η y 2 η dy + I ρ Φ y η y dy. (2.7)

综合上述(2.2)~(2.5),可得:

d dτ I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 1 ( η ) ρ ]dy +( 2μ+λ ) I ρ u y 2 dy + I ρ η η y 2 dy + I ρ Φ y η y dy =0. (2.8)

步骤二:将 1 ρ ( lnη+1 ) 乘以(1.6)3并在空间I上积分可得:

I η τ ρ ( lnη+1 )dy + I η u y ( lnη+1 )dy I ( ρ η y ) y ( lnη+1 )dy I ( ρη Φ y ) y ( lnη+1 )dy =0. (2.9)

由于 ( lnη+1 ) y = η y η ,对上式分部积分并利用(1.6)1以及(1.9),整理后得到:

d dτ I ηlnη ρ dy + I ( ρ η y 2 η +ρ η y Φ y )dy = I η u y dy . (2.10)

结合(2.8)与(2.10)式得到:

d dτ I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 1 ( η ) ρ + ηlnη ρ ]dy +( 2μ+λ ) I ρ u y 2 dy +2 I ρ η η y 2 dy +2 I ρ Φ y η y dy = I η u y dy . (2.11)

另外,将 Φ ρ 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:

I [ η τ Φ ρ +η u y Φ ]dy I ( ρ η y ) y Φdy I ( ρη Φ y ) y Φdy = d dτ I ηΦ ρ dy + I ρ η y Φ y dy + I ρη Φ y 2 dy =0. (2.12)

结合上述(2.11)与(2.12)式可得:

d dτ I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 1 ( η ) ρ + ηlnη ρ + 2ηΦ ρ ]dy+( 2μ+λ ) I ρ u y 2 dy +2 I ρ | η y η + η Φ y | 2 dy = I η u y dy . (2.13)

步骤三:下文证明(2.11)的右端项满足如下不等式:

I η u y dy 2μ+λ 2 I ρ u y 2 dy +C sup xI ( η η s ) 2 +C. (2.14)

证明:通过引入稳态解,可得

I η u y dy = I ( η η s ) u y dy I η s u y dy = I η η s ρ ρ u y dy I η s u y dy . (2.15)

应用Hölder不等式,Cauchy不等式,可得:

I η u y dy ( I | η η s | 2 ρ dy ) 1 2 ( I ρ u y 2 dy ) 1 2 I η s ρ ρ u y dy ( I | η η s | 2 ρ dy ) 1 2 ( I ρ u y 2 dy ) 1 2 + 2μ+λ 4 ( I ρ u y 2 dy )+C I 1 ρ dy . (2.16)

根据 ρ τ + ρ 2 u y =0 ,可得:

I 0 τ ( 1 ρ ) τ dσdy = I 0 τ u y dσdy, I ( 1 ρ 1 ρ 0 )dy = 0 τ I u y dydσ = 0 τ u| 0 1 dσ =0. (2.17)

从而 I 1 ρ dy = I 1 ρ 0 dy

通过(2.16)式得到:

I η u y dy 2μ+λ 2 I ρ u y 2 dy +C sup xI ( η η s ) 2 I 1 ρ dy +C 2μ+λ 2 I ρ u y 2 dy +C sup xI ( η η s ) 2 +C. (2.18)

整理(2.13)与(2.18)式得出:

d dτ I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 1 ( η ) ρ + ηlnη ρ + 2ηΦ ρ ]dy+ 2μ+λ 2 I ρ u y 2 dy +2 I ρ | η y η + η Φ y | 2 dy C sup xI ( η η s ) 2 +C. (2.19)

(2.19)两边关于时间方向在 [ 0,τ ] 上积分,并应用(1.10),可得,对任意的 τ[ 0,T ] ,有

I [ | u | 2 2 + G 1 ( ρ ) ρ + G 1 ( η ) ρ + ηlnη ρ + 2ηΦ ρ ]( ,τ )dy + 2μ+λ 2 0 τ I ρ u y 2 dy dσ +2 0 τ I ρ| η y η + η Φ y | 2 dydσ I [ | u 0 | 2 2 + G 1 ( ρ 0 ) ρ 0 + G 1 ( η 0 ) ρ 0 + η 0 ln η 0 ρ 0 + 2 η 0 Φ ρ 0 ]dy +C 0 τ sup xI ( η η s ) 2 dσ +C C( E 0 ,T ). (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。

参考文献

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