Advances in Applied Mathematics
Vol.
11
No.
07
(
2022
), Article ID:
54129
,
9
pages
10.12677/AAM.2022.117517
带阻尼的三维热带气候模型的适定性研究
陈贤
浙江师范大学,浙江 金华
收稿日期:2022年6月25日;录用日期:2022年7月20日;发布日期:2022年7月27日
摘要
本文考虑了带阻尼的三维热带气候模型。利用能量估计的方法,证明了带阻尼的三维热带气候模型对于
,如果
,, 满足
,, 时,那么带阻尼的三维热带气候模型强解是存在的,且是唯一的。
关键词
热带气候模型,适定性,阻尼性,强解
Well-Posed Study of a Three-Dimensional Tropical Climate Model with Damping
Xian Chen
Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang
Received: Jun. 25th, 2022; accepted: Jul. 20th, 2022; published: Jul. 27th, 2022
ABSTRACT
This paper considers a three-dimensional tropical climate model with damping. Using the method of energy estimation, a damped three-dimensional tropical climate model is demonstrated. For
, if
,, satisfies
,,, then the existence and uniqueness of a damped 3-D tropical climate model is strong.
Keywords:Tropical Climate Model, Well-Posedness, Damping, Strong Solution
Copyright © 2022 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. 引言
在本文中,我们考虑以下带阻尼的三维热带气候模型:
其中向量场
和
分别表示速度的正压模式和第一斜压模式。
和
分别表示压强和温度。分数拉普拉斯算子
, 和
为实参数。
需要指出的是,当
, 和
时,系统(1.1)可简化为带有阻尼的三维磁流体动力学(MHD)型方程。对于阻尼磁流体系统,Ye [1] 首先得到了全局强解的存在性和唯一性。然后,在 [2] [3] 中,证明了含阻尼的三维磁流体方程的全局适定性和衰减。当v = 0时,带阻尼的mhd型方程简化为带阻尼
的Navier-Stokes方程。Cai和Jiu [4] 首先证明了带阻尼的Navier-Stokes方程在任何
情况下,强解是唯一的,在
的情况下带阻尼的Navier-Stokes方程具有全局强解。Zhou [5] 改进了这一结果,
证明了
时全局存在强解。随后,有许多结果致力于三维Navier-Stokes方程的阻尼(例如, [6] [7] [8] [9])。
让我们简单回顾一下关于三维热带气候模式的一些成果。当系统(1.1)没有任何阻尼项时,Wang et al. [10] 在初始数据很小的情况下考虑了正则性准则和全局存在性。在 [11] [12] 中,作者建立了分阶耗散的三维热带气候模式的全局正则性。我们可以看到 [13] - [19] 关于二维热带气候模式的全局正则性问题的一些结果。本文利用阻尼项证明了系统(1.1)具有唯一的全局强解。值得一提的是,由于缺乏v的自由发散条件,热带气候模式的结果与三维MHD方程的结果存在差异。
阻尼项在一定程度上是好项,可以增加正则性,我们为了提高三维热带气候模型的正则性,为此我们增加阻尼项,研究带阻尼的三维热带气候模式的适定性。我们的主要结果可以陈述如下:
定理1.1. 让
满足
。对于
,如果
满足
那么系统(1.1)有一个唯一的全局强解u满足,对于任意T > 0,
本文的结构如下:第一部分我们给出关于三维热带气候模型的相关进展和研究现状,并且给出主要结果;第二部分,我们给出主要结果的证明步骤。
2. 定理1.1的证明
在这一节中,我们证明定理1.1。首先,我们对系统(1.1)给出了一个先验
估计。将(1.1)分别乘以
,经过分部积分,并使用
,得到以下能量估计
我们在哪里使用了下面的事实
将(1.1)分别乘以
、
和
,在
中积分后相加,得到
首先,应用Young不等式、Hölder不等式和Gagliardo-Nirenberg不等式,
可以估计如下。
这里我们使用了以下的Gagliardo-Nirenberg不等式:
在这里
通过直接计算,得到
如果下列限制成立
然后我们得到
通过Hölder不等式、Gagliardo-Nirenberg不等式和Young不等式,
、
和
的项可以估计如下:
接下来,我们将估计
和
。
这里我们使用了Gagliardo-Nirenberg不等式:
在这里
从(2.12)我们可以直接计算出
, 和
。
如果下列限制成立
然后,我们可以得到
。
同理,
可以估算如下:
这里我们使用了Gagliardo-Nirenberg不等式:
通过直接计算,我们有
。如果下列限制成立
然后,我们可以得到
。对于
和
,我们可以得到
应用soblove不等式,
可以估计如下
收集以上的估计(2.5)~(2.18)并将它们应用到(2.4)中,有下列结果成立
在这里,我们使用了
, 去确保
、(2.8)、(2.13)及(2.16)。根据Gronwall不等式和(2.1),我们
这样我们就完成了强解存在的证明。
接下来,我们将证明定理1.1中构造的强解的唯一性。假设
和
是方程组(1.1)的两个解,它们的解
相同。我们定义
。然后我们可以得到
将(2.21)式分别与
做
内积,将结果相加,我们得到
应用Hölder不等式,当
时,我们可以得到
同样,对于
,我们有
应用Hölder, Gagliardo-Nirenberg和Young不等式,
和
可以估计如下
我们使用了Gagliardo-Nirenberg不等式:
同样的,
也可以这样估计
接下来,我们将估计
这里我们使用了Gagliardo-Nirenberg不等式:
通过直接计算,我们可以得到
和
,。所以我们有
涉及
和
的项可以估计如下
通过直接计算,我们可以得到
和
,,。所以我们有
将(2.24)~(2.31)估计应用到(2.22)中,可以得到
应用Grönwall不等式,通过
-估计,可以得到
这样完成了定理1.1唯一性部分的证明。
文章引用
陈 贤. 带阻尼的三维热带气候模型的适定性研究
Well-Posed Study of a Three-Dimensional Tropical Climate Model with Damping[J]. 应用数学进展, 2022, 11(07): 4933-4941. https://doi.org/10.12677/AAM.2022.117517
参考文献
- 1. Ye, Z. (2015) Regularity and Decay of 3D Incompressible MHD Equations with Nonlinear Damping Terms. Colloquium Mathematicum, 139, 185-203. https://doi.org/10.4064/cm139-2-3
- 2. Titi, E.S. and Trabelsi, S. (2019) Global Well-Posedness of a 3D MHD Model in Porous Media. Journal of Geometric Mechanics, 11, 621-637. https://doi.org/10.3934/jgm.2019031
- 3. Zhang, Z.J., Wu, C.P. and Yao, Z.A. (2018) Remarks on Global Regu-larity for the 3D MHD System with Damping. Applied Mathematics and Computation, 333, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.amc.2018.03.047
- 4. Cai, X.J. and Jiu, Q.S. (2008) Weak and Strong Solutions for the Incompressible Navier-Stokes Equations with Damping. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 343, 799-809. https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2008.01.041
- 5. Zhou, Y. (2012) Regularity and Uniqueness for the 3D Imcompressible Navier-Stokes Equations with Damping. Applied Mathematics Letters, 25, 1822-1825. https://doi.org/10.1016/j.aml.2012.02.029
- 6. Jiang, Z.H. and Zhu, M.X. (2012) The Large Time Behavior of So-lutions to 3D Navier-Stokes Equations with Nonlinear Damping. Mathematical Methods in the Applied Sciences, 35, 97-102. https://doi.org/10.1002/mma.1540
- 7. Liu, H. and Gao, H.J. (2017) Decay of Solutions for the 3D Na-vier-Stokes Equations with Damping. Applied Mathematics Letters, 68, 48-54. https://doi.org/10.1016/j.aml.2016.11.013
- 8. Wang, W.H. and Zhou, G.P. (2015) Remarks on the Regularity Criterion of the Navier-Stokes Equations with Nonlinear Damping. Mathematical Problems in Engineering, 35, 1-5. https://doi.org/10.1155/2015/310934
- 9. Zhang, Z.J., Wu, X.L. and Lu, M. (2011) On the Uniqueness of Strong Solution to the Incompressible Navier-Stokes Equations with Damping. Journal of Mathematical Analysis and Applica-tions, 377, 414-419.
https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2010.11.019
- 10. Wang, Y.N., Zhang, S.Y. and Pan, N.N. (2020) Regularity and Global Existence on the 3D Tropical Climate Model. Bulletin of the Malaysian Mathematical Sciences Society, 43, 641-650. https://doi.org/10.1007/s40840-018-00707-3
- 11. Li, J.K. and Yu, Y.H. (2019) Global Regularity for a Class of 3D Tropical Climate Model without Thermal Diffusion.
- 12. Zhu, M.X. (2018) Global Regularity for the Trop-ical Climate Model with Fractional Diffusion on Barotropic Model. Applied Mathematics Letters, 81, 99-104. https://doi.org/10.1016/j.aml.2018.02.003
- 13. Dong, B.Q., Wang, W.J., Wu, J.H., Ye, Z. and Zhang, H. (2019) Global Regularity for a Class of 2D Generalized Tropical Climate Models. Journal of Differential Equations, 266, 6346-6382. https://doi.org/10.1016/j.jde.2018.11.007
- 14. Dong, B.Q., Wang, W.J., Wu, J.H. and Zhang, H. (2019) Global Regularity Results for the Climate Model with Fractional Dissipation. Centered around Dynamics, Discrete and Continuous Dynamical Systems—Series B, 24, 211-229.
https://doi.org/10.3934/dcdsb.2018102
- 15. Dong, B.Q., Wu, J.H. and Ye, Z. (2019) Global Regularity for a 2D Tropical Climate Model with Fractional Dissipation. Journal of Nonlinear Science, 29, 511-550. https://doi.org/10.1007/s00332-018-9495-5
- 16. Dong, B.Q., Wu, J.H. and Ye, Z. (2020) 2D Tropical Climate Model with Fractional Dissipation and Without Thermal Diffusion. Communications in Mathematical Sciences, 18, 259-292. https://doi.org/10.4310/CMS.2020.v18.n1.a11
- 17. Li, J.K. and Titi, E.S. (2016) Global Well-Posedness of Strong Solutions to a Tropical Climate Model. Discrete and Continuous Dynamical Systems, 36, 4495-4516. https://doi.org/10.3934/dcds.2016.36.4495
- 18. Wan, R.H. (2016) Global Small Solutions to a Tropical Climate Model without Thermal Diffusion. Journal of Mathematical Physics, 57, 1-13. https://doi.org/10.1063/1.4941039
- 19. Ye, X. and Zhu, M.X. (2020) Global Strong Solutions of the 2D Tropical Climate System with Temperature-Dependent Viscosity. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik, 71, 97-107. https://doi.org/10.1007/s00033-020-01321-9