基金项目:国家自然科学基金(11271153); 高等学校博士学科点专项科研基金(20140101-20161231); 吉林省科技发展计划项目(20150101002JC); 吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]第81号); 东北电力大学博士科研启动基金(BSJXM-201331)
通信作者:zhuxiulijl@163.com
(College of Science,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201507018
微极流体模型能够描述带有悬浮颗粒的黏性不可压流体的运动.考虑一类二位不可压缩微极流体方程组的初边值问题,证明了当角度和微旋转黏性(; ζ)趋于0时,方程组的解收敛于角度和微旋转黏性系数为零时方程的整体弱解.研究了微极流体方程组零角度和黏性极限的边界效应,给出了边界层厚度的阶数O(β)(0< β<2/3).与Chen等的结果相比,该边界层厚度更薄,并且提高了收敛率。
The micropolar fluid model can describe the motion of the viscous incompressible fluids with randomly oriented particles suspended in the medium.In this paper, we consider an initial-boundary value problem for two-dimensional incompressible micropolar fluid equations. Firstly, we prove that,as angular and micro-rotational viscosities(; ζ)approach zero,the solution converges to a global weak solution of the original equations with zero angular and micro-rotational viscosities. Secondly,we study the boundary layer effects. It is also shown that the boundary layer thickness is of the order O(β)with(0< β<2/3). In contrast with the result of Chen, the BL-thickness in the present analysis is thinner. In addition, the convergence rates are also improved.
讨论一类微极流体方程组:
ut+u·Δu+Δπ=(ν+ζ)Δu+2ζΔ⊥w,(1)
wt+u·Δw=γΔw-2ζΔ⊥·u-4ζw,(2)
Δ·u=0,(3)
带有初边值条件
u(x,y,0)=u0(x,y),w(x,y,0)=w0(x,y),
(x,y)∈R2+,(4)
u(0,y,t)=0,w(0,y,t)=w1(y),
(y,t)∈R×(0,T).(5)
其中,ν>0,γ,ζ≥0,分别表示牛顿动力黏性、角度黏性和运动微旋转黏性,u0,w0,w1为已知函数.
微极流体模型常用于描述复杂液体(例如血液、悬浮液体)中的很多现象,这些现象是不可能由Navier-stokes系统[1-2]刻画的.因其在数学物理中的重要性,微极流体系统的解的存在性、唯一性、正则性问题已得到广泛的关注[3-7].文献[7]研究了二维不可压缩微极流体方程的边界层效应和收敛率.关于边界层的研究,可参见文献[8-11]及其
参考文献.本文主要研究一类微极流体方程组边界层效应以及边界层的厚度.
令方程组(1)~(3)中的系数γ,ζ等于0,得到如下方程组:
(-overu)t+(-overu)·Δ(-overu)+Δ(-overπ)=νΔ(-overu).(6)
(-overw)t+(-overu)·Δ(-overw)=0,(7)
Δ·(-overu)=0,(8)
及相应的初边值条件
(-overu)(x,y,0)=u0(x,y),(-overw)(x,y,0)=
w0(x,y),(x,y)∈R2+,(9)
(-overu)(0,y,t)=0,(y,t)∈R×(0,T).(10)
本研究的第1个结论论证了γ,ζ→0时,方程组(1)~(3)的解(u,w)收敛到方程组(6)~(8)的解((-overu),(-overw)),并且给出了收敛率.
定理1 假定(u0,w0,w1),满足
{u0∈H2(R2+),w0∈H1(R)2+∩
W1,∞(R2+),w1(y)∈H3y(R),
Δ·u0=0,u0(0,y)=0,w0(0,y)=w1(y).(11)
并且假设存在非负常数 M
limγ→0ζ/γ=M<∞.
那么,对于任意固定的γ,ζ>0,初边值问题(1)~(5)存在唯一的整体强解(u,w)满足
u∈ L∞(0,T; H10(R2+)∩H2(R2+)),
w∈ L∞(0,T; H1(R2+))∩ L2(0,T;
H2(R2+)).
并且存在不依赖于γ,ζ的正常数C,对于任意p>2,使得
sup0≤t≤T(=w=2Lp(R2+)+=u=2H2(R2+)+=ut=2L2(R2+))+
∫T0(=Δu=2L∞(R2+)+=Δut=2L2(R2+))dt≤C,(12)
sup0≤t≤T=w=2H1(R2+)+
∫T0(=wt=2L2(R2+)+γ=Δ2w=2L2(R2+))dt≤C(13)
成立.
进一步,有
u→(-overu)于L∞(0,T; H10(R2+)),
w→(-overw)于L∞(0,T; L2(R2+)),
π→(-overπ)于L∞(0,T; H1(R2+)),
且
sup0≤t≤T(= u-(-overu)=2H1(R2+)+= w-(-overw)=2L2(R2+))+
∫T0(=Δ2u-Δ2(-overu)=2L2(R2+)+
=Δπ-Δ(-overπ)=2L2(R2+))dt≤Cγ.(14)
注1 本研究的边值条件是x=0时边值与时间t无关(详见式(5)和(11)),对于x=0时边值与时间t有关的情况,讨论相对比较复杂,结论会更加复杂、丰富,将在接下来的工作中进行探讨.
本研究第2个结论给出了边界层厚度.
定义1 函数δ(γ,ζ)被称为边界层厚度,若(γ,ζ)↓0时δ(γ,ζ)↓0,且
lim(γ,ζ)→0=w-(-overw)=L∞(0,T; W1,1g(Ωδ))=0,
lim inf(γ,ζ)→0=w-(-overw)=L∞(0,T; W1,1g(R2+))>0,
其中Ωδ:={(x,y)∈R2+,δ<x<∞,-∞<y<∞},W1,1g(Ω)是加权Sobolev空间,其范数为:
=v=W1,1g(Ω)==v=L1g(Ω)+=Δ v=L1g(Ω),=v=L1g(Ω)=
Ω e-(x+|y|)|v|dxdy.
为了便于分析,令初边值问题(6)~(10)的初值满足:
u0(x,y)=0,w0(x,y)=0,(x,y)∈R2+.(15)
定理2 在式(15)和定理1的条件下,边值问题(6)~(10)存在唯一平凡解(0,0).函数δ(γ)∈ C((0,1])是边界层厚度,当γ→0时满足条件δ(γ)→0和δ(γ)/γ2/3→∞,使得
limγ→0=w=L∞(0,T; W1,1g(Ωδ(γ)))=0,(16)
lim infγ→0=w=L∞(0,T; W1,1g(R2+))>0.(17)
证明 为了完成定理1的证明,引入一个新的变量
v(x,y,t)=w(x,y,t)-w1(y)e-x,(18)
满足如下方程
vt+u·Δ v-γΔv+4ζ v=γΔ(~overw)-4ζ(~overw)-
(~overw)t-u·Δ(~overw)-2ζΔ⊥· u,(19)
显然v|x=0=0.
首先,给出初边值问题(1)~(5)解的一致估计.
引理1 在定理1的假设下,存在不依赖于γ的正常数C,使得
sup0≤t≤T(=w=2L2+=u=2L2)+∫T0(γ=Δw(t)=2L2+
=Δ u=2L2)dt≤C,sup0≤t≤T=Δ u=2L2+∫T0(=ut=2L2+
=Δ2u=2L2)dt≤C.(20)
引理2 在定理1的假设下,对于任意p∈[2,∞),存在依赖于p的正的常数C(p),使得
sup0≤t≤T =w=Lp≤C(p).(21)
引理3 在定理1的假设下,存在不依赖于γ的正常数C,使得
γsup0≤t≤T =Δw=2L2+∫T0(γ2=Δ2w=2L2+
γ=wt=2L2dt)≤C,(22)
sup0≤t≤T(=ut=2L2+=Δ2u=2L2)+∫T0=Δut=2L2dt+
∫T0=Δu=2L∞dt≤C.(23)
引理1~3的证明可参见文献[1].然后,将方程(19)关于x,y求导,两端分别乘以vx和vy后积分,利用方程(19),以及前述引理,给出w的高阶估计.
引理4 在定理1的假设下,存在不依赖于γ的正常数C,使
sup0≤t≤T =Δ w=2L2+∫T0 (γ=Δ2w=2L2+
=wt=2L2)dt≤C(24)
成立.
由引理1~4的一致估计可知,存在{(u,w)}的子列,不失一般性,仍记为{(u,w)},当γ,ζ→0时,得到如下收敛关系:
u→(-overu)于C(0,T; H1),
w〖FY(1〗*〖FY)〗(-overw)于L∞(0,T; L2),
γΔw→0于L2(0,T; L2),
(ζΔ u,ζΔu)→(0,0)于L∞(0,T; L2),
(ζ w,ζΔ w)→(0,0)于L∞(0,T; L2).
其中((-overu),(-overw))是初边值问题(6)~(10)的解.
除∫T0 (=wt=2L2+γ=Δ2 w=2L2)dt≤C以外,引理1~4中的其他估计对于问题(3)~(4)都成立.
引理5 在定理1的假设下,下列结论成立:
sup0≤t≤T(=Δ(-overw)=L2+=Δ(-overw)=L∞)≤C.
下面给出当γ,ζ→0时解的收敛率.
命题1 假设(u,w,π)和((-overu),(-overw),(-overπ))分别是初边值问题(1)~(5)和(6)~(10)的解.那么,在定理1的假设下,有
sup0≤t≤T(=(u-(-overu))=2H<1+ =(w-(-overw))=2L2)+
∫T0(=Δ2u-Δ2(-overu)=2L2+=ut-(-overu)t=2L2+
=Δπ-Δ(-overπ)=2L2)dt≤Cγ.
利用引理1~5和命题1,可完成定理1 的证明.
最后,为了证明定理2,给出如下命题.
命题2 若初值((-overu)0,(-overw)0)满足式(15),则初边值问题(6)~(10)存在唯一平凡解(0,0).
令ρ∈ C2(R+)是不增函数,并且满足y∈[0,1/2]时,ρ(y)=1,当y∈[1/2,1]时,ρ(y)是一个非负多项式,当y≥1时ρ(y)=e-y. 定义偶函数g(y)=ρ(|y|),则有g∈ L2y(R)且存在正常数l1,l2使l1e-|y|≤g(y)≤l2e-|y|且|gy|,|gyy|≤l2 g(y).
引理6 在定理2的假设下,下列结论成立:
sup0≤t≤TR2+e-(x+|y|)|w|dxdy≤Cγ3/4.
证明 令φη(w)=(w2+η2)1/2. 用e-xg(y)φ'η(w)分别乘以方程(2)两端,并在半平面上积分,得到下式
(d)/(dt)R2+e-xg(y)φη(w)dxdy+
4ζR2+e-xg(y)φ'η(w)wdxdy+
γR2+e-xg(y)φ″η(w)|Δ w|2dxdy=
-γR2+φ'η(w)Δ w·Δ(e-xg(y))dxdy-
2ζR2+e-xg(y)φ'η(w)Δ⊥· udxdy+
R2+φη(w)u·Δ(e-xg(y))dxdy-
γ∫+∞-∞g(y){wxφ'η(w)}〖JB>1|〗x=0dy:=
I1+I2+I3+I4.(25)
下面估计式(25). 首先, 根据引理4和估计式|Δ(e-xg(y))|≤Ce-(x+|y|)∈ L2, 得
|I1|≤γ=Δ w=L2 =Δ(e-xg(y))=L2≤
Cγ=Δ w=L2≤Cγ.
|I2|≤Cζ=Δ u=L2=e-xg(y)=L2≤Cγ.
其次, 根据引理 1,引理3 和|Δ(e-xg(y))|≤Ce-xg(y), 得到
|I3|≤C=u=L∞R2+φη(w)|Δ(e-xg(y))|dxdy≤
CR2+e-xg(y)φη(w)dxdy.
最后,根据引理 3和 Hölder 不等式,有
|I4|≤
Cγ∫+∞-∞e-|y| (=wx=L2x+=wx=sup>1/2L2x=wxx=1/2L2x)dy≤
Cγ=wx=L2+ Cγ=wx=1/2L2 =wxx=1/2L2≤
Cγ +Cγ=wxx=1/2L2.
因为φ″η(r)≥ 0,把 上述Ii(i=1,2,3,4)的估计带入式(25)并令η→0, 得到
(d)/(dt)R2+e-xg(y)|w|dxdy≤
CR2+e-xg(y)|w|dxdy+
Cγ +Cγ=wxx=1/2L2.(26)
根据引理4和Hölder不等式得
γ∫t0=wxx(s)=1/2L2ds≤
Cγ3/4{γ∫t0 =wxx(s)=2L2ds}1/4≤Cγ3/4.
进一步,利用 Gronwall's不等式 和g(y)≥ l1e-|y|,得到引理6的结论.
注2 类似引理G的证明,记ψη(w)= w2+η2.把方程(19)两端关于x求微分,乘以e-xg(y)ψ'η(vx)后再积分,进行适当估计得到以下结论:
sup0≤t≤TR2+e-(x+|y|) |Δ w|2dxdy≤C.(27)
引理7 在定理2的假设下,下列结论成立:
sup0≤t≤TR2+x1+αe-(x+|y|)|Δw|dxdy≤Cγ,
其中1/2<α<1.
证明 记 ξ(x)=x1+αe-x, 满足 ξ(0)=ξ'(0)=0,ξ(∞)=ξ'(∞)=0.对于方程(2)关于x求微分,得
wxt+u·Δ wx+4ζ wx=
γΔwx-ux ·Δ w-2ζΔ⊥· ux.
把上式两端乘以 ξ(x)g(y)φη'(wx)并在R2+半平面上积分, 有
(d)/(dt)R2+ξ(x)g(y)φη(wx)dxdy+
4ζR2+ξ(x)g(y)φ'η(wx)wxdxdy+
γR2+ξ(x)g(y)φ″η(wx)|Δ wx|2dxdy=
-γR2+φ'η(wx)Δ wx·Δ(ξ(x)g(y))dxdy-
R2+ξ(x)g(y)φ'η(wx)ux·Δ wdxdy-
2ζR2+ξ(x)g(y)φ'η(wx)Δ⊥· uxdxdy+
R2+φη(wx)u·Δ(ξ(x)g(y))dxdy:=
J1+J2+J3+J4.(28)
根据ξ(x)和g(y)的性质, 应用Cauchy-Schwarz 不等式得
|Δ(ξ(x)g(y))|=[(α+1)αxα-1-
2(α+1)xα+xα+1]e-xg(y)∈ L2.
进一步,直接计算得
J1=γR2+Δ(ξ(x)g(y))φη(wx)dxdy≤
CγR2+(x1+α+xα-1)e-xg(y)φη(wx)dxdy≤
CγR2+ξ(x)g(y)φη(wx)dxdy+
CγR2+x2(α-1)e-xg(y)dxdy+
CγR2+e-xg(y)φη2(wx)dxdy≤
CγR2+ξ(x)g(y)φη(wx)dxdy+
CγR2+e-xg(y)φη2(wx)dxdy+Cγ.
对式(28)右端第二项J2进行估计得
|J2|≤C=ux=L∞R2+ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy.
根据Hölder不等式得
|J3|≤2ζR2+ξ(x)g(y)|φ'η(wx)||Δ⊥·
ux |dxdy≤Cζ=Δ2u=L2=ξ(x)g(y)=L2≤
Cζ≤Cγ.
经过计算,J4式有如下形式:
J4=R2+ξ(x)φη(wx)u2 y g(y)dxdy+
R2+ g(y)φη(wx)u1 xξ(x)dxdy=
R2+ξ(x)φη(wx)u2 y g(y)dxdy-
R2+ g(y)φη(wx)u1(x1+αe-x)dxdy+
(1+α)R2+ g(y)φη(wx)u1(xα e-x)dxdy≤
CR2+ξ(x)g(y)φη(wx)dxdy+CR2+xα
|u1|e-xg(y)φη(wx)dxdy.
上式应用了引理 3 和|gy|≤l2 g(y). 为了估计上式右端第二项,得到u〖JB>2|〗x=0=0 和
|u(x,y,t)|≤∫x0=ux(·,y,t)=L∞xdλ≤
x=ux(t)=L∞,x∈[0,∞).
再根据ξ(x)的定义,有
R2+xα|u1|e-xg(y)φη(wx)dxdy≤
=ux=L∞ R2+xα+1e-xg(y)φη(wx)dxdy≤
=Δ u=L∞ R2+ξ(x)g(y)φη(wx)dxdy.
于是有
J4≤C(1+=Δ u=L∞)R2+ξ(x)g(y)
φη(wx)dxdy.
把上述估计Ji(i=1,2,3,4)带入式(28),并令η→0, 根据式(27)有
(d)/(dt)R2+ξ(x)g(y)|wx| dxdy≤
C(1+=Δ u=L∞)R2+ ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy+
CγR2+e-xg(y)|Δ w|2dxdy+Cγ≤
C(1+=Δ u=L∞)R2+ ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy+
Cγ.(29)
同理有
(d)/(dt)R2+ξ(x)g(y)|wy|dxdy≤C(1+
=Δ u=L∞)R2+ ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy+Cγ.(30)
根据式(29)和(30),有
(d)/(dt)R2+ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy≤C(1+
=Δ u=L∞)R2+ ξ(x)g(y)|Δ w|dxdy+Cγ.
再根据引理4和 Gronwall's不等式,利用g(y)≥ l1e-|y|的性质,引理7结论成立.
定理2的证明:利用引理7可得
=Δ w=L1g(Ωδ)≤1/(δ1+α)=x1+αe-(x+|y|)Δ w =L1g(Ωδ)≤
(Cγ)/(δ1+α)→0,γ→0,(31)
其中δ=δ(γ)=γβ,β∈(0,2/3).
再根据引理6,完成定理2 的证明.