Advances in Applied Mathematics
Vol.
12
No.
01
(
2023
), Article ID:
60844
,
9
pages
10.12677/AAM.2023.121026
分数阶Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间中解的爆破准则
徐郜婷,孙小春*,吴育联
西北师范大学,甘肃 兰州
收稿日期:2022年12月28日;录用日期:2023年1月24日;发布日期:2023年1月31日

摘要
本文在最大时间
有限时,利用Fourier变换的性质,齐次Sobolev空间中的插值结果以及乘积定理,研究了分数阶三维不可压缩Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间
中解的爆破性和
范数的衰减性,以及解关于
范数、
范数和
范数的有界性,是对Benameur J的经典Navier-Stokes方程结论的推广。
关键词
分数阶Navier-Stokes方程,衰减性,爆破准则

On the Blow-Up Criterion for Solutions of 3D Fractional Navier-Stokes Equations in Homogeneous Sobolev Spaces
Gaoting Xu, Xiaochun Sun*, Yulian Wu
Northwest Normal University, Lanzhou Gansu
Received: Dec. 28th, 2022; accepted: Jan. 24th, 2023; published: Jan. 31st, 2023

ABSTRACT
In this paper, when the maximum time
is finite, the blow-up of the solutions to the fractional 3D incompressible Navier-Stokes equations in
spaces and the decay in
norm and the boundedness of the solution with respect to
norm,
norm and
norm are studied, via using the property of Fourier transform, interpolation results and product law in the homogeneous Sobolev spaces. It’s a generalization of the classical Navier-Stokes equations conclusion of Benameur J.
Keywords:Fractional Navier-Stokes Equation, Decay, Blow-Up Criterion

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言
本文研究分数阶不可压缩Navier-Stokes方程的初值问题
(1.1)
在最大存在时间附近解的性质以及在齐次Sobolev空间的爆破性。其中
为流体的粘性系数,
表示“耗散强度”。向量函数
表示流体在
的未知速度,
是给定的初始速度,标量函数
表示流体在
所受的未知压力,
是关于空间变量
的Laplacian微分算子。
对于经典不可压缩Navier-Stokes方程,Kato T在文献 [1] 和Leray J在文献 [2] 中研究了解的局部存在性和唯一性。Benameur J在文献 [3] 中研究了非齐次Sobolev空间中解的爆破准则,即
,其中
是最大存在时间。Robinson JC,Sadowski W,Silva RP在文献 [4] 中证明了
,。Cortissoz C,Montero JA,Pinilla CE在文献 [5] 中研究了解的
范数和
范数的下界。Cheskidov A,Zaya K在文献 [6] 中证明了解在
空间的强爆破估计。Benameur J在文献 [7] 中研究了解在
空间的爆破准则。
本文研究分数阶不可压缩Navier-Stokes方程(1.1)的解在
空间中的爆破和
范数衰减,以及解关于
范数和
范数和
范数的有界性,是对Benameur J文献 [3] [7] 中结论的推广。主要结果如下:
定理1 设
,, 且
是方程(1.1)的极大解,若
,则有
定理2 设
, 且
是方程(1.1)的极大解,若
,则有
定理3 设
, 是方程(1.1)的极大解,若
,则有
定理4 设
, 是方程(1.1)的极大解,若
,则有
2. 预备知识
1) [7] Fourier变换定义为:
2) 分数阶Laplacian微分算子通过Fourier变换定义为:
关于
的更多详细描述见文献 [8]。
3) [7]
上函数
定义其卷积为:
4) [7] 若
和
是两个向量场,则
5) [7] 齐次Sobolev空间定义为:
,其范数为
6) [7] Lei-Lin空间定义为:
,其范数为
引理1 [9] 对于
,有
其中
。
引理2 [10] 设
且
,,则存在常数
,使得
,有
若
,,则存在常数
,使得
,有
引理3 [11] 设
且
,,则存在常数
,使得
,
若
,,则存在常数
,
引理4 [7] 对于
,若
,则存在常数
,
引理5 [12] Gronwall不等式(微分形式)设
是
上的非负绝对连续函数,
, 是
上的非负可积函数,且满足
那么
引理6 对于
,存在常数
,使得
,有
证明:设
3. 定理1的证明
证明:方程(1.1)在
空间下与u取内积
则有
又
由
则有
则
由引理5,对
因为
,所以
。
由引理1,
在
上对上式积分有
当
时,有
从而结论得证。
4. 定理2的证明
证明:方程(1.1)在
空间下与u取内积
则有
由引理2及不等式
有
则
由引理5,对于
,
因为
,所以
。
在
上对上式积分有
当
时,有
从而结论得证。
5. 定理3的证明
证明:方程(1.1)在
空间下与u取内积
则有
由引理3及不等式
有
在
上对上式积分有
从而结论得证。
6. 定理4的证明
证明:方程(1.1)在
空间下与u取内积
则有
由引理4,
由引理6,
则有
取
,对上式积分有
取
,
设
有
则
用任意的
替换
有
因此结论得证。
文章引用
徐郜婷,孙小春,吴育联. 分数阶Navier-Stokes方程在齐次Sobolev空间中解的爆破准则
On the Blow-Up Criterion for Solutions of 3D Fractional Navier-Stokes Equations in Homogeneous Sobolev Spaces[J]. 应用数学进展, 2023, 12(01): 231-239. https://doi.org/10.12677/AAM.2023.121026
参考文献
- 1. Kato, T. (1975) Quasi-Linear Equations of Evolution, with Applications to Partial Differential Equations. In: Everitt, W.N., Ed., Spectral Theory and Differential Equations. Lecture Notes in Mathematics, Vol. 448, Springer, Berlin, Hei-delberg, 25-70. https://doi.org/10.1007/BFb0067080
- 2. Leray, J. (1934) Sur le movement d’un liquid visqueux emplissant l’espace. Acta Mathematica, 63, 193-248.
https://doi.org/10.1007/BF02547354
- 3. Benameur, J. (2010) On the Blow-Up Criterion of 3D Navier-Stokes Equations. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 371, 719-727. https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2010.06.007
- 4. Robinson, J.C., Sadowski, W. and Silva, R.P. (2012) Lower Bounds on Blow Up Solutions of the Three-Dimensional Navier-Stokes Equations in Homogeneous Sobolev Spaces. Journal of Mathematical Physics, 53, 115618.
https://doi.org/10.1063/1.4762841
- 5. Cortissoz, C., Montero, J.A. and Pinilla, C.E. (2014) On Lower Bounds for Possible Blow-Up Solutions to the Periodic Navier-Stokes Equation. Journal of Mathematical Physics, 55, 033101. https://doi.org/10.1063/1.4867616
- 6. Cheskidov, A. and Zaya, K. (2016) Lower Bounds of Potential Blow-Up Solutions of Three-Dimentional Navier-Stokes Equations in . Journal of Mathematical Physics, 57, 023101. https://doi.org/10.1063/1.4941035
- 7. Benameur, J. (2019) On the Blow-Up Criterion of 3D Navier-Stokes Equa-tion in . Mathematical Methods in the Applied Sciences, 42, 6972-6986. https://doi.org/10.1002/mma.5803
- 8. Stein, E. (1970) Singular Integrals and Differentiability Properties of Func-tions. Princeton University Press, Princeton.
https://doi.org/10.1515/9781400883882
- 9. Benameur, J. (2014) On the Exponential Type Explosion of Na-vier-Stokes Equations. Nonlinear Analysis, Theory, Methods and Applications, 103, 87-97. https://doi.org/10.1016/j.na.2014.03.011
- 10. Benameur, J. and Blel, M. (2012) Long-Time Decay to the Global Solution of the 2D Dissipative Quasigeostrophic Equation. Abstract and Applied Analysis, 2012, Article ID 627813. ttps://doi.org/10.1155/2012/627813
- 11. Jacques-Louis, L. (1995) Navier-Stokes Equations. Séminaire Bourbaki, 5, 223-238.
- 12. 陈国旺. 索伯列夫空间导论[M]. 北京: 科学出版社, 2013.
NOTES
*通讯作者。