Advances in Applied Mathematics
Vol.
10
No.
06
(
2021
), Article ID:
43384
,
10
pages
10.12677/AAM.2021.106219
Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程在Morrey-Campanato空间中的正则性准则
王乙竹,宋悦
辽宁师范大学数学学院,辽宁 大连
收稿日期:2021年5月21日;录用日期:2021年6月9日;发布日期:2021年6月24日
摘要
本文给出了Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程在三维Morrey-Campanato空间中解的一个正则性准则,利用了Gagliardo-Nirenberg不等式、Sobolev嵌入定理、插值不等式以及先验估计等。
关键词
Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程,Morrey-Campanato空间,正则性准则,局部解
Regularity Criteria for the Navier-Stokes-Cahn-Hillard Equation in the Morrey-Campanato Space
Yizhu Wang, Yue Song
School of Mathematics, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning
Received: May 21st, 2021; accepted: Jun. 9th, 2021; published: Jun. 24th, 2021
ABSTRACT
This paper gives a regularity criterion for the Navier-Stokes-Cahn-Hillard equation in the 3D Morrey-Campanato space which uses Gagliardo-Nirenberg inequality, Sobolev embedding theorem, interpolation inequality, and prior estimates.
Keywords:Navier-Stokes-Cahn-Hillard Equation, Morrey-Campanato Space, Regularity Criteria, Local Solution
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 介绍
在本文中考虑在
上带有初值问题的Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程
, (1.1)
, (1.2)
, (1.3)
, (1.4)
, (1.5)
其中
表示速度场,
表示压强,
表示序参量,
表示粘性系数,
表示化学势,
表示双井位势。
当
时,上述方程成为著名的Navier-Stokes方程。Navier-Stokes方程已经被进行了广泛的研究,其中最著名代表性的开创性成果来自于Leray [1] 和Hopf [2],他们对任意给定的初始速度
构建了方程的整体弱解,通常称为Leray-Hopf弱解。从20世纪70年代末开始,Scheffer便对Navier-Stokes方程弱解的部分正则性进行了研究,较深刻的结果由Caffarelli,Kohn,Nirenberg [3] 在1982年得到,他们给出了一个适当弱解的定义,并证明了这种解的奇异集的Hausdorff测度为零。
方程(1.1)~(1.5)是由Cahn-Hillard系统和不可压缩Navier-Stokes系统耦合而成。 [4] 中得到了二维Navier-Stokes-Cahn-Hillard系统弱解的H1正则性和H2时间正则性。关于更多Navier-Stokes-Cahn-Hillard系统的研究,请读者参考 [5] [6] [7] [8] [9]。
在 [10] 中,Montgomery-Smith证明了Navier-Stokes方程的对数改进正则性准则,即解u满足
那么u在
上是正则的。 [11] 中建立了Navier-Stokes方程的对数改进正则性准则。
本文给出了Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程在三维Morrey-Campanato空间中解的一个正则性准则,主要结果如下,为方便起见,设
。
定理1.1 假设
且
,对于某个
, 是方程(1.1)~(1.5)在
上的局部光滑解。如果u满足:
(1.6)
或
(1.7)
那么
可以延拓超过T。
定理1.2 假设
且
,对于某个
, 是方程(1.1)~(1.5)在
上的局部光滑解。如果
满足:
(1.8)
或
(1.9)
那么
可以延拓超过T。
下面我们将介绍一些对定理证明有用的定义和引理。
2. 预备知识
以下定义和定理参考 [12] [13]。
定义2.1 对于
,Morrey-Campanato空间
定义为
,
其中
表示
上以x为圆心,R为半径的闭球。
定义2.2 对于
,定义齐次空间
是关于函数f的空间且是
的子空间,其中f可以分解成一个原子序列
,其中函数
且满足关于
支集的直径
的不等式:
和
。
是一个Banach空间,其范数为
,其中下确界inf是指f分解成一个原子序列的所有可能性。
引理2.3 对于
,如果
满足
,,那么有
.
即对于
,,有
。
引理2.4 对于
,,相应点乘是一个从
到
的有界双线性算子,那么存在常数
,使得对于任意的
,,有
。
引理2.5 对于
,设空间
是
中局部平方可积函数空间,相应点乘是Besov空间
到
的有界双线性映射。
上的范数由点乘算子的范数决定
,
那么,
当且仅当
。
引理2.6 (Gagliardo-Nirenberg不等式)对于
,,,,有
,
其中
,。
3. 定理证明
在这部分,我们将给出定理1.1和定理1.2的证明,利用先验估计和Gronwall不等式解决局部光滑解的正则性准则,即证明下式成立
. (3.1)
将方程(1.1)两端同时乘u,在
上积分并利用分部积分,得
, (3.2)
将方程(1.2)两端同时乘
,在
上积分并利用分部积分,得
, (3.3)
将(3.2)和(3.3)两式相加,得
,
我们获得基本能量估计
, (3.4)
, (3.5)
. (3.6)
将方程(1.2)两端同时乘
,在
上积分并利用分部积分,结合(1.3),(1.4),Young’s不等式,得
利用Gronwall不等式,获得估计
. (3.7)
下面将利用Gagliardo-Nirenberg不等式(
)
, (3.8)
以及Sobolev嵌入定理
, (3.9)
结合(1.3),(3.5)~(3.7),(3.8),(3.9),Hölder不等式,得
获得估计
, (3.10)
, (3.11)
. (3.12)
接下来我们将进行高阶估计,改写方程(1.1)为分量形式(
)
,
将上式左右两端同时乘
,对i求和,结合(1.3),(1.4),利用分部积分,有
(3.13)
将(1.2)先作用
,再乘
,结合(1.3),(1.4),利用分部积分,得
(3.14)
将(3.13)和(3.14)相加,得
(3.15)
首先考虑u满足定理1.1中条件的情况,利用Hölder不等式,Young’s不等式,Sobolev嵌入定理(3.9),估计
(3.16)
利用Gagliardo-Nirenberg不等式(3.8),Sobolev嵌入定理(3.9)和(3.5),
又可写成估计
(3.17)
对于
和
的估计,分为两种情况。
第一种情况:当
时,利用引理2.3,引理2.4,Young’s不等式和插值不等式
,,估计
(3.18)
类似地,我们继续估计
,得
(3.19)
第二种情况:当
时,利用引理2.5,Hölder不等式,Young’s不等式和插值不等式
,,估计
(3.20)
同样估计
,得
(3.21)
将上述估计(3.16),(3.18)~(3.21)代入(3.15)中,得
由(3.7),(3.11)可知,
(3.22)
利用Gronwall不等式,上式和定理假设条件(1.6),得
(3.23)
或将上述估计(3.16)~(3.20)代入(3.14)中,得
因此
,
利用Gronwall不等式,定理假设条件(1.7),得
. (3.24)
由(3.23),(3.24)可知,(3.1)成立,定理1.1得证。
最后考虑
满足定理1.2中条件的情况,对于
和
的估计,与之前类似,分为两种情况。
第一种情况:当
时,利用(1.4),引理2.3,引理2.4,Young’s不等式和插值不等式
,,估计
(3.25)
估计
,得
(3.26)
第二种情况:当
时,利用引理2.5,Hölder不等式,Young’s不等式和插值不等式
,,估计
(3.27)
用同样的方法估计
,得
(3.28)
将上述估计(3.16),(3.25)~(3.28)代入(3.15)中,得
利用Gronwall不等式,(3.22)和定理假设条件(1.8),得
(3.29)
或将上述估计(3.17),(3.25)~(3.28)代入(3.15)中,得
因此
利用Gronwall不等式,定理假设条件(1.9),得
. (3.30)
由(3.29),(3.30)可知,(3.1)成立,定理1.2得证。
文章引用
王乙竹,宋 悦. Navier-Stokes-Cahn-Hillard方程在Morrey-Campanato空间中的正则性准则
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