1. 引言
在三维空间中考虑下述一类各向异性非牛顿Boussinesq方程组的初边值问题
(1)
其中
为一边界足够光滑的有界区域,
,
。未知向量函数
表示流体的速度,
表示温度,
表示压力,
,
为已给定的外力项,
。指数
为给定的常数,满足
。
非牛顿流体广泛存在于我们的生产、生活和自然界中,因此越来越多不同领域的学者开始对其展开研究,以求对其有更深刻的了解与利用。在化工、石油、水利、生物工程以及食品材料甚至航空航天领域都对非牛顿流体有着极大的关注,我们主要通过对非牛顿流体方程的研究来增加对非牛顿流体的了解。
粘性导热流体在重力作用下的流动由动量守恒、质量守恒和能量守恒方程组描述(参见 [1] ),在忽略粘性的加热效应及应力张量与应变速率之间呈线性本构关系的假设下就得到一个粘性、不可压缩浮力驱动的流体流动与热对流耦合的运动模型,即所谓的牛顿型Boussinesq近似(参见 [2] 或 [3] )。上述模型在大气科学中具有重要作用 [4],同时也是许多地球物理应用中的模型 [5]。其在预测观察到的现象中是非常成功的,少有近似模型能与之匹敌,其在天体物理与地球物理流体动力学领域有着重要的影响,基于此,数学上人们对上述模型开展了广泛的研究,取得了大量的研究成果。在该类模型中,若应力张量与应变速率之间显现出非线性关系,即得到所谓的非牛顿Boussinesq模型,目前关于这类模型的研究结果还不多。郭柏灵等在 [6] 中研究了一类修正的双极粘性流体模型,证明了其弱解的存在性和唯一性;随后他们又在 [7] 中研究了周期性边值问题,证明了其弱解的存在性,并在
时证明了唯一性及高阶正则性结果。文献 [8] 在三维空间中对周期初边值问题证明了强解的存在唯一性。文献 [9] 研究了一类稳态不可压缩的非牛顿Boussinesq方程组的第一初边值问题,在外力项的某一范数适当小的条件下,证明了方程组正则解的存在唯一性。本文拟在三维空间中讨论一类各向异性非牛顿Boussinesq方程组的初边值问题,通过结合使用Galerkin方法、紧性方法与单调性方法证明了该问题弱解的存在性。
2. 预备知识与主要结果
我们首先介绍本文用到的各向异性Sobolev空间的基本知识。令
定义
在其中分别赋予范数
所得的线性空间为完备的赋范线性空间,即Banach空间。
令
假设
满足
本文用到的引理如下:
引理1 [10] 令
为一边界充分光滑的有界开集,如果
,则有以下嵌入关系成立
↪
(2)
↪↪
(3)
其中
,
。
注1由于引理1,本文中总假设指标
满足条件
。
引理2 [11] 对
,定义
若
,则有
引理3 [12] 设
为两个Banach空间,X连续嵌入到Y。倘若函数
且
是弱连续的,则
亦是弱连续的。
记
,定义如下函数空间
在
范数意义下的闭包;
在
范数意义下的闭包;
在
范数意义下的闭包;
下面考虑抛物型各向异性空间。令
赋予范数
对于有界域
和有限T,以下嵌入成立 [13]
↪
↪
(4)
且作为
的闭子空间,
是自反的且是可分的,用
和
分别来表示
和
的对偶空间,其中
和
表示
和
的对偶空间。
下面给出问题(1)弱解的定义
定义2.1设
,
,
,
,称
是问题(1)的弱解,如果
1)
,
;
2)
,
;
3) 对
,
以及
有
其中
由关系式
确定。
注2在上述弱解满足的等式中没有压力项
,事实上,如果1) 2) 3) 成立,则利用De Rham定理 [14] 知,有函数
在广义函数意义下满足上述积分等式。
注3定义中
,
在下述意义下成立
注4当
时,为了使定义中对流项
有意义,需要
[15],但是若
,则只需
,因为此时嵌入
↪
成立。
注5若记
,则当
时,显然有下列嵌入关系成立
↪
↪
↪
↪
. (5)
本文的主要结果如下:
定理1设
为一边界充分光滑的有界域,
,
,
,
。若
,
,其中
(6)
则问题(1)至少存在一对弱解
,满足
其中
表示
是弱连续的。
3. 定理1的证明
我们将通过以下几步进行定理的证明,
第一步:近似解的构造
定义空间
在
中的闭包,设
是如下特征值问题的一组非平凡解
(7)
则
构成空间
的一组正交基 [16],且在H中是规范正交的;对给定的
,记
为应由
张成的子空间;其次,取Lamé算子的特征函数族
为
中的一组基,并记
为应由
张成的子空间。我们谋求问题(1)类似于以下结构的近似解
其中对
,
,
满足
(8)
并且当
时
(9)
由常微分方程组的相关知识 [16] (定理3.4)知,存在一区间
,
,使(8) (9)存在古典意义下的解
,
。结合接下来的一致估计和解的整体存在唯一性定理可得
。
第二步:推导一致性先验估计
将等式(8)1两端同时乘以
,再关于k求和,得
将上式在0到t,
积分,可得
由引理2可知于
,
所以由Hölder不等式以及Young不等式,可将上式整理得
(10)
同理将等式(8)2两端同时乘以
,再关于r求和,得
将上式在0到t,
积分可得
由引理2可知
,
所以由Hölder不等式以及Young不等式,可将上式整理得
(11)
将(10)式和(11)式相加,整理得
(12)
将(12)式在
上积分可得
(13)
其中
是与m无关的常数,使用Grownwall不等式,设
则
(14)
进而利用(13)可得
又对
有
从而得到
(15)
下面推导
和
的先验估计。
设
为
到
上的正交投影算子,即
则
的伴随算子
,有
,且
重写等式
如下
(16)
设
,
,
对
,有
(17)
对于
,利用引理2得
由于当
时,利用引理1,知
↪
成立,由
的定义知
↪
,从而有
(18)
对于
,有
(19)
综合(17)~(19),并利用(14) (15)得
由于
↪
,所以
(20)
同理,设
为
到
上的正交投影算子,满足
对于
的伴随算子
,有
且
重写等式(8)2如下
(21)
对
,有
(22)
对于
,有
由(14)知
,从而知 [17] (引理2.3.3)
,可得
(23)
对于
,有
(24)
综合(22)~(24)式并利用(14)得
(25)
第三步:近似解的收敛与解的存在性证明
由(14) (15) (20) (25)可以得到下列收敛性
(26)
由于
↪
是连续的,且当
时,
恒成立,故
↪↪
,利用Aubin-Lions引理可得
(27)
利用(13)和(27)并利用插值定理可得
(28)
另一方面,由于
↪↪
,利用Aubin-Lions引理可得
(29)
由于上述的收敛性,在(8)1式中令
,可以得到
(30)
在(8)2式中令
,可以得到
(31)
当
,
时,有
因为
,嵌入
↪
成立,并利用引理1可得
由于
以及
在
中的稠密性可知对
,
均有
(32)
(33)
利用(32) (33)可以得到
所以
,
是几乎处处绝对连续的。又因为
,
以及
↪
,
↪
,并利用引理3可得
,
。
为完成定理证明,只需证明
(34)
由于对
,且
有
即
为单调算子,下面运用单调性方法来证明(34)。
首先要证明对
,有
(35)
通过
的定义并由引理1得
↪
↪
由插值公式有
其中
,当(6)成立时,通过计算可知
,所以由Hölder不等式知(35)成立。
类似于文献 [11] 中的方法可得,对
,有
(36)
可任取
,设
(37)
由A的单调性知
(38)
由于(8)1可知
其中令
,得
综合(37) (38)可得
(39)
令
,
,
,代入到(39)式得
令
,取极限得
所以
定理证得。
4. 总结
本文在三维空间中考虑一类各向异性非牛顿Boussinesq方程组的初边值问题,给出了证明解的存在性的详细步骤,采用Galerkin方法构造近似解序列
,通过对近似解序列
进行一直估计以及收敛性的证明并利用单调性方法证明其解的存在性。
基金项目
吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(批准号:JJKH20200727KJ)。