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1. 方程 考虑 R3
中有界区域 Ω
上如下的稳态流动:
{div(?u)=0,div(?u?u)?μ△u?(λ+μ)?divu+??γ=?f+g.(1)
2. 假设 先作一些初步的假设:
2.1. γ>32
---保证对流项 div(?u?u)
可看成 (1)2
的扰动;
2.2. μ>0
, λ+23μ≥0
---Navier-Stokes 假设;
2.3. 考虑非滑动边界---u=0
在 ?Ω
上. 这时可将 Navier-Stokes 假设放宽为
2.4. 当 γ≤53
时, f
适合 curlf=0
--- 此时密度的可积性实在太差, 须将用 ε
-Young 不等式打出来的指标下降, 为此须巧妙的通过 (1)1
把一端零消失:
??curlf=0f=?φ∫?f?u=∫?u??φ=?∫div(?u)φ=0;
2.5. ∫?=M>0
---质量守恒.
3. 弱解的三重逼近 那么怎么证明 (1)
有弱解呢?
3.1. 注意到 (1)1
是退化双曲的, 自然的引进 damping 项 α?(α>0)
:
为保证质量守恒, 右端须加上 αh
:
其中 h
满足:
再看 (1)2
, 注意到
∫div(?u?u)?u===∫div(?u)|u|2+∫?u??|u|2212∫div(?u)|u|2α2∫(h??)|u|2,
为保证能量不等式还能有效利用, 我们在 (1)2
中加上
(这样就出现了 α(h+?)|u|2
):
α2hu+32?u+div(?u?u)?μ△u?(λ+μ)?divu+??γ=?f+g.
综上所述, 第一次逼近为
???α?+div(?u)=αh,α2hu+32?u+div(?u?u)?μ△u?(λ+μ)?divu+??γ=?f+g.(2)
3.2. 注意到 (2)2
是椭圆方程组, 而椭圆组具有很好的存在正则性理论. 为啥不将 (2)1
也椭圆正则化呢? 于是我们将 (2)1
转化为
此时, (2)2
也应相应的变动(以适合能量不等式), 怎么办呢? 注意到
∫div(?u?u)?u===12∫div(?u)|u|2(=?∫(?u??u)?u)12∫[α(h??+ε△?]|u|2α2∫(h??)|u|2?ε∫?i??iujuj,
最后那个式子
最好不要出现在能量不等式中(那样就更简单了). 怎么办呢? 观察上式, 有
故为啥不把 (2)2
中的 div(?u?u)
换成
呢? 此时, 在第一次逼近中的导入的
就可直接点了:
这样, 我们获得了第二次逼近:
?????????α?+div(?u)?ε△?=αh,αhu+α?u+12div(?u?u)+12?u??u?μ△u?(λ+μ)?divu+??γ=?f+g.(3)
3.3. 对于 (3)
, 我们大概可以用 Leray-Schauder 不动点定理证明弱解的存在性. 回忆 Leray-Schauder 不动点定理. 设
X
是一 Banach
空间, D?X
为其一有界开集. 再设 H:Dˉ×[0,1]→X
是一紧算子的同伦, 满足 (1) ? u0∈D, s.t. H(u0,0)=u0
; (2) 0≠(I?H(?,t))(?D), t∈[0,1]
. 则
? t∈[0,1], ? ut∈D, s.t. H(ut,t)=ut.
注记. 在 PDE 中, 为应用 Leray-Schauder 不动点定理, 仅须作先验估计及利用 Sobolev 紧嵌入.
故而通过求解过程
我们先用 Leray-Schauder 不动点定理证明
有解 ?=S(u)
, 然后再次用之得到
?μ△u?(λ+μ)?divu=?[ αhu+αS(u)u+12div(S(u)u?u)+12S(u)u??u+?S(u)γ?S(u)f?g]
的解 u
. 如此, (S(u),u)
就是 (1)
的弱解了. 剩下就是构造合适的工作空间. 注意到质量守恒本身就是带输运的, 自然
那么 ?∈?
引入 Bogovskii 算子 B
, 我们有
于是
∥??∥s≤≤≤Cε∥αB(h??)??u∥sCε[α∥h∥s+∥?∥s]Cε∥h∥s(∥?∥s≤C∥h∥s, s→1+,直观上可以看作是质量守恒的正则化扰动).
如此, 通过 Sobolev 嵌入及 Bootstrap,
从而再由正则性理论,
∥?∥2,p≤C(u)∥h∥p(? 1<p<∞).
为了有紧, 同样可设
工作空间选好了, 那些先验估计就是 technical 的了. 这样, 我们就可以取极限 (比如 ε→0+
, α→0+
). 但现在问题来了, 压力项的极限怎么办? (其他项由 div-curl 引理而容易处理)? 为此, 引入人工压力项 δ(?2+?β)
(β
充分大, 2
是技术处理, 以获得密度的更高可积性, 而有更好的强收敛, 有重整化解, 对 γ>3/2
能够统一处理), 而得到第三次逼近
???????????α?+div(?u)?ε△?=αh,αhu+α?u+12div(?u?u)+12?u??u?μ△u?(λ+μ)?divu+?(?γ+δ(?2+?β))=?f+g.(4)
4. 极限过程. 为保证密度的强收敛性, 我们选取如下的极限过程:
4.1. 消失椭圆正则化. 不写那么多了, 关键是
?∈L2???? 重整化解?θˉˉˉ1θ 适合方程(利用有效粘性通量, 0<θ<1)?α 的 L1 强收敛性.
4.2. 消失 damping. 基本上同上.
4.3. 消失人工压力. 直观上通过 Riesz 变化得到
?∈Ls(γ), s(γ)=???3(γ?1),2γ,32<γ≤3,γ≥3.
故而当 γ≥5/3
时, ?∈L2
, 而同上讨论. 当 3/2<γ<5/3
时, 我们去 cut-off:
∥?δ??∥1≤≡∥?δ?Tk(?δ)∥1+∥Tk(?δ)?Tk(?)∥1+∥Tk(?)??∥1I1+I2+I3,
其中
I1
, I3
可类似估计:
I3=≤≤→∥∥(??k)1?≥k∥∥1∥?∥s(γ)|{?≥k}|1?1s(γ)C(Mk)1?1s(γ)0(k→+∞).
仅须考虑
这是(有限)密度震荡, 直观上应有很好的正则性. 联系方程 (1)2
, 我们导入
limδ→0+∥Tk(?δ)?Tk(?)∥γ+1≤C
(参见张祖锦, 密度的震荡控制, 家里蹲大学数学杂志. 第 2 卷第 31 期, (2011), 195--195.), 而也通过
cut-off 有 ?
适合重整化. 最后由
limδ→0+∥Tk(?δ)?Tk(?)∥γ+1≤(λ+2μ)∫divuTk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ?divuTk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉ=(λ+2μ)∫?divLk(?)?divuTk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉ(Lk(t)={tlnt,tlnk+t?k,t∈[0,k),t∈[k,∞) 满足 tL′k(t)?Lk(t)=Tk(t))=(λ+2μ)∫div(Tk(?)?Tk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉ)(div(Lk(?)u)+Tk(?)divu=0)≤(λ+2μ)∥divu∥2∥∥Tk(?)?Tk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉ∥∥γ?12γ1∥∥Tk(?)?Tk(?)ˉˉˉˉˉˉˉˉ∥∥γ+12γγ+1≤C(∥Tk(?)??∥1+∥∥Tk(?)??ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ∥∥1)γ?12γ→0(k→∞)
知 I2→0 (k→∞, δ→0+)
.
至此, (1)
弱解的存在性证毕.
来源: 家里蹲大学数学杂志第2卷第33期稳态可压Navier-Stokes方程弱解的存在性
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[家里蹲大学数学杂志]第033期稳态可压Navier-Stokes方程弱解的存在性
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