1. 引言
研究
上的三维微极Rayleigh-Bénard对流方程
(1)
其中
是流体速度场,
为流体粒子旋转角速度的微旋转场,
为标量压力,
为温度,
为牛顿运动粘度系数,
是微旋转粘度系数,
和
为角粘度系数,
是热扩散系数,
为垂直单位矢量,
项描述浮力对流体运动的作用,
模拟热的无粘性流体中的Rayleigh-Bénard对流运动。由于
的具体值在本文的讨论中没有特殊作用,为简单起见,取
,
,
,则方程(1)可以化为
(2)
当
时,方程(2)是经典的Navier-Stokes方程
(3)
许多数学家对方程(3)中压力提条件得到解的正则性准则。2001年,Chae和Lee [1]证明当压力
满足
时,
是正则解。2002年Berselli和Galdi [2]证明当压力
满足
时,
也是正则解。2006年Zhou [3]证明当压力
满足
时,弱解
是正则的。2007年Chen和Zhang [4]证明若压力
满足
则
在
正则。2021年Wan和Chen [5]证明若压力
满足
或
则弱解
能光滑地延拓出
。
当
时,方程(2)变为微极流方程
(4)
1996年,Eringen [6]引入微极流方程来模拟微极流体,最先提出有关微极流方程的理论。1997年,Galdi和Rionero [7]得到微极流方程弱解的存在性。2005年,Yamaguchi在[8]得到微极流方程强解的全局存在性。2010年,Yuan [9]证明若速度
满足
或
则微极流方程的强解
可以光滑地延拓到
,从而得到微极流方程经典的Serrin型正则性准则。在此之后大量微极流方程的正则性准则的结论被证明。同年Dong和Zhang [10]证明当速度
满足
时微极流方程的弱解
在
正则。2017年Gala [11]证明若压力
满足
则三维微极流方程的弱解
在
上正则。
微极Rayleigh-Bénard对流方程描述的是一种特殊的热对流现象。当研究填充两个刚性表面之间区域的流体层时,流体从下面加热,通常会在Boussinesq方程的近似框架内描述这种热对流现象(见[12]-[15]),这种现象被称作微极Rayleigh-Bénard对流问题。受文献[5]、[10]和[11]的启发,考虑微极Rayleigh-Bénard 对流方程在Triebel-Lizorkin空间上的正则性准则。下面给出本文的主要结论。
定理1.1 设
,
,且
是方程组(2)在
上的Leray-hopf弱解。若压力
满足
(5)
则(2)的解
可以延拓到
。
定理1.2 设
,
,且
是方程组(2)在
上的Leray-hopf弱解,若
满足
(6)
则(2)的解
可以延拓到
。
注:定理1.1包含了[5]中定理1.1的结果,定理1.2包含了[5]中定理1.2的结果。
2. 预备知识与重要引理
本节介绍一些常用的函数空间及一些基本性质。
定义2.1 [16] 设
是非负径向函数,满足
及
,使得
和
,定义如下齐次频投算子
和
:
定义2.2 设
表示无穷远处趋于零的缓增广义函数,
,
。对
,使得
的这样的
的全体构成的空间称为Triebel-Lizorkin空间,记为
。
引理1.3.14 设
,
分别是方程(2)中的速度和压力,
。则存在常数
使得
(7)
(8)
引理1.3.14的证明 用
作用于
两边,结合
得
所以由Riesz变换的
有界性得到
(9)
(10)
即完成了引理1.3.14的证明。
Riesz位势算子
,它是从
到
有界的。
引理1.3.15 [17] 设
,
。则存在
,使得
其中p,q满足
。
3. Triebel-Lizorkin空间中的正则性准则的证明
本节将给出三维微极Rayleigh-Bénard对流方程在Triebel-Lizorkin空间中的正则性准则的证明。
3.1. 定理1.1的证明
第一步:L2-能量估计
将方程(2)1,(2)2和(2)3分别与
和
做
内积后将三式相加,再利用
、Hölder不等式和Young不等式得
整理得
从而有
(11)
对(11)式利用Gronwall不等式可得
于是可以得出
(12)
第二步:L4-能量估计
方程(2)1两边乘以
并在
上积分可得
(13)
由分部积分可以得出
由分部积分和
得
以及
因此(13)式可化简为
(14)
接下来先估计
利用Hölder不等式和Young不等式可得
(15)
下面估计
利用Hölder不等式和Young不等式可得
(16)
最后估计
根据Littlewood-Paley分解,将
分解为
(17)
其中N是待定的正整数。根据(17)式可得
(18)
下面对
进行估计。利用Hölder不等式,Bernstein不等式,Gagliardo-Nirenberg不等式,引理1.3.14,引理1.3.15和Young不等式可得
(19)
其中利用了不等式
对于
利用Hölder不等式,Gagliardo-Nirenberg不等式,Sobolev嵌入,(12)式以及Young不等式可得
(20)
其中利用了不等式
对于
利用Hölder不等式,Bernstein不等式,Gagliardo-Nirenberg不等式,引理1.3.14和Young不等式得
(21)
其中利用了不等式
类似地,将(2)2式两边乘以
后在
上积分,利用分部积分和
得
(22)
通过分布积分再利用Hölder不等式和Young不等式得
即可得到
(23)
同样地对(2)3式两边乘以
后在
上积分,利用分部积分,Hölder不等式,Young不等式和
得出
(24)
综合(19)式,(20)式,(21)式,(23)式和(24)式可得
(25)
选取(25)式中的N使得
具体地说
另一方面易得
则有
同时还得到
因此(25)式变成
于是我们有
(26)
因此对(26)式利用Gronwall不等式可得
令
,再次利用Gronwall不等式可得
即完成定理1.1的证明。
3.2. 定理1.2的证明
类似定理1.1,考虑如下L4能量估计
(27)
由(27)式即可得
综合文献[5]和定理1.1的证明过程即可证得定理1.2。
基金项目
江西省自然科学基金(20232BAB201014)。