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  数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (5): 855-866   PDF (360 KB)    
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吴继晖
王术
陆雷
具有各向异性初值的三维轴对称不可压MHD方程组的整体正则性
吴继晖1,2, 王术1, 陆雷2    
1 北京工业大学 北京 100124;
2 淮南师范学院 安徽淮南 232038
摘要: 该文证明了三维不可压轴对称MHD方程组的具有一族大的各向异性初值的两类特解(1) uθ=0,Br=Bz=0,(2) Br=Bz=0的整体正则性.
关键词: 不可压     各向异性     轴对称    
Global Regularity of the 3D Axially Symmetric Incompressible MHD Equations with Anisotropic Data
Wu Jihui1,2, Wang Shu1, Lu Lei2    
1 Beijing University of Technology, Beijing 100124;
2 Huainan Normal Unversity, Anhui Huainan 232038
Abstract: In this paper, we show that the global regularity of two kinds of particular solutions to the three-dimensional incompressible axially symmetric MHD equations:(1) uθ=0,Br=Bz=0,(2) Br=Bz=0 for a family of large anisotropic initial data.
Key words: Incompressible     Anisotropic     Axially symmetric    
1 引言

磁流体力学(magnetohydrodynamics,MHD)[1] 是研究等离子体和磁场相互作用的物理学分支,基本思想是在运动的导电流体中,磁场能感应出电流. 它能解释等离子体中的大多数现象,广泛应用于离子体物理学的研究. 磁流体力学的基本方程是流体力学中的 Navier-Stokes 方程和电动力学中的 Maxwell 方程组.磁流体力学由瑞典物理学家 Hannes Alfvén 创立,并且因此获得 1970 年的诺贝尔物理学奖. 本文考虑不可压三维 MHD 方程组

ut+(u)uμΔu=p+(B)B,xR3,t>0, (1.1)
Bt+(u)BνΔB=(B)u,xR3,t>0, (1.2)
u=0,xR3,t>0, (1.3)
B=0,xR3,t>0, (1.4)

这里,B(x,t) 为磁场,u(x,t) 为速度场, p(x,t) 为压强,μ0 为流体的粘性系数,ν0 为电阻率. 为简化计算,设常数 μν 都为 1.

本文得到如下结论.

定理 1.1 (uθ=0,Br=Bz=0)0<δ<1 是一个给定可以任意小的数,

Bθ(r,z,0)=1ε2δB0(ε2r,z),ωθ(r,z,0)=1ε2δW0(ε2r,z), (1.5)

其中 B0(r,z)=rB1(r,z),W0(r,z)=rW1(r,z), B0,B1L2p(R2×[0,1]), W0,W1L2q(R2×[0,1]),p=2q,q>1δ. 若初始场 u0,B0L2(R2×[0,1]), Bθ,ωθψθ 的初始条件在 z 轴上是周期为 1 的周期函数且为奇函数,则存在 ε0(B0,W0,δ)>0, 使得对于所有的 0<εε0,三维轴对称 MHD 方程组有一个唯一的整体正则解.

注1.1 这里如果我们选择 ε 很小,则关于轴对称不可压 MHD 方程组的初值不会小. 因此,经典的关于小初值的正则性分析方法是不适用于各向异性的初始条件的. 此外, 如果我们选择如下的初始条件

Bθ(r,z,0)=1ε1δB0(ε2r,z),ωθ(r,z,0)=1ε1δW0(ε2r,z), (1.6)

B1(r,z,0)=εδ+1B1(ε2r,z),ω1(r,z,0)=εδ+1W1(ε2r,z),

f01pL2(Ω)=εδ+12pB1L2p(Ω),g01qL2(Ω)=εδ+12qW1L2q(Ω),

这里 B1L2p(Ω),W1L2q(Ω) 独立于 ε. 定理 1.1 同样成立.

定理 1.2 (Br=Bz=0)0<δ<1 是一个给定可以任意小的数,

uθ(r,z,0)=U0(ε2δr,z),Bθ(r,z,0)=B0(ε2δr,z),ωθ(r,z,0)=W0(ε2δr,z), (1.7)

其中 U0(r,z)=rU1(r,z),B0(r,z)=rB1(r,z),W0(r,z)=rW1(r,z),U0,U1,B0,B1L2p(R2×[0,1]), W0,W1L2q(R2×[0,1]),p=2q,q>1δ. 若初始场 u0,B0L2(R2×[0,1]), uθ,Bθ,ωθψθ 的初始条件在 z 轴上是周期为 1 的周期函数且为奇函数,则存在 ε0(U0,B0,W0,δ)>0,使得对于所有的 0<εε0, 三维轴对称 MHD 方程组有唯一整体正则解.

注 1.2 类似定理 1.1,如果我们令

uθ(r,z,0)=1ε1δU0(εr,z), Bθ(r,z,0)=1ε1δB0(εr,z), ωθ(r,z,0)=1ε1δW0(εr,z), (1.8)

u1(r,z,0)=εδU1(εr,z),B1(r,z,0)=εδB1(εr,z),ω1(r,z,0)=εδW1(εr,z),

h01pL2(Ω)=εδ1pU1L2p(Ω), f01pL2(Ω)=εδ1pB1L2p(Ω), g01qL2(Ω)=εδ1qW1L2q(Ω).

如果

(qpCq)12qε2δ1qU12L2p(Ω)+εδ1qW12L2q(Ω)+(qpCq)12qε2δ1qB12L2p(Ω)7(2p1)8p2,

这里 U1,B1L2p(Ω),W1L2q(Ω) 独立于 ε,则定理 1.2 同样成立.

本文部分借鉴了文献[2]中关于轴对称的 Navier-Stokes 方程组的思想. 下面介绍关于不可压的 MHD 方程组近期的研究成果. 在笛卡儿坐标系下,有许多研究结果,然而在柱面坐标系下的研究结果很少. 在笛卡儿坐标系下,文献[3]推导出弱解的 Hausdorff 维估计及其爆破估计的部分正则性. 文献[4] 证明了如果速度场 uL21γ(O,T,˙Xγ(R3)),γ[0,1] 或度场的梯度 uL22γ(O,T,˙Xγ(R3)),γ[0,1], 则解在 [0,T]上是光滑的. 文献[5, 6] 给出了两类三维不可压的 MHD 方程组的正则性条件.文献[7]证明了如果初值满足 u0H1+b0H1ε,这里 ε 是任意小的正数,则带部分耗散和磁扩散混合的三维MHD 方程有整体光滑解. 文献[8]证明了如果耗散项为 ν(Δ)αuκ(Δ)βb, 则在这三种情况下 α12,β1; 0α12,2α+β>2; α2,β=0, 其光滑解是整体的. 在柱面坐标系下的研究成果如 文献[9] 证明了三维的理想的 MHD 方程组关于一维非平凡磁场 (uθ=Br=Bz=0) 的轴对称解的整体正则性. 在定理 1.1 中, 本文考虑了在各向异性初值条件下的这种情况.

以下分为两部分讨论,首先给出轴对称不可压 MHD 方程组 (2.11)-(2.16). 其次,分别给出两类各向异性大初值 (1) Bθ(r,z,0)=1ε2δB0(ε2r,z), ωθ(r,z,0)=1ε2δW0(ε2r,z), (2) uθ(r,z,0)=U0(ε2δr,z), Bθ(r,z,0)=B0(ε2δr,z), ωθ(r,z,0)=W0(ε2δr,z) 情况下的 MHD 方程组的两类特解 (1) uθ=0,Br=Bz=0, (2) Br=Bz=0 的整体正则性的证明.

2 三维轴对称不可压 MHD 方程组

设三维轴对称的 MHD 方程组 (1.1)-(1.4) 的一个解 (u,B,p) 具有形式

{u(x,t)=ur(r,z,t)er+uθ(r,z,t)eθ+uz(r,z,t)ez,B(x,t)=Br(r,z,t)er+Bθ(r,z,t)eθ+Bz(r,z,t)ez,p(x,t)=p(r,z,t), (2.1)

这里

er=(xr,yr,0),eθ=(yr,xr,0),ez=(0,0,1)

为 3 个分别沿着径向方向,角方向和 z 轴方向的相互正交单位向量, r=x2+y2. 则 方程组(1.1)-(1.4) 在柱坐标系下表示为

{(ur)t+ur(ur)r+uz(ur)z(21r2)ur1r(uθ)2$=pr+Br(Br)r+Bz(Br)z1r(Bθ)2,(uθ)t+ur(uθ)r+uz(uθ)z(21r2)uθ+1ruθur$=Br(Bθ)r+Bz(Bθ)z+1rBθBr,(uz)t+ur(uz)r+uz(uz)z2uz=pz+Br(Bz)r+Bz(Bz)z, (2.2)
{(Br)t+ur(Br)r+uz(Br)z(21r2)Br=Br(ur)r+Bz(ur)z,(Bθ)t+ur(Bθ)r+uz(Bθ)z(21r2)Bθ+1ruθBr=Br(uθ)r+Bz(uθ)z+1rurBθ,(Bz)t+ur(Bz)r+uz(Bz)z2Bz=Br(uz)r+Bz(uz)z, (2.3)
{(rur)r+(ruz)z=0,(rBr)r+(rBz)z=0, (2.4)

这里 2=2r+1rr+2z. 注意到一旦初始条件给定, 方程组 (2.2)-(2.4) 就完全决定了轴对称不可压 MHD 方程组. 类似,旋度场 ω 和流密度 J 表示为

 ω(x,t)=×u(x,t)=ωr(r,z,t)er+ωθ(r,z,t)eθ+ωz(r,z,t)ez,J(x,t)=×B(x,t)=jr(r,z,t)er+jθ(r,z,t)eθ+jz(r,z,t)ez, (2.5)

其中

ωr=(uθ)z,ωθ=(ur)z(uz)r,ωz=1ruθ+(uθ)r,$jr=(Bθ)z,jθ=(Br)z(Bz)r,jz=1rBθ+(Bθ)r. (2.6)

此外,本文引入流函数 ψ 和磁流函数 Φ. uθ,ωθ,ψθ,Bθ,jθϕθ 分别被称为速度场 u,旋度场 ω, 流函数 ψ, 磁场 B,流密度J 和磁流函数Φ 的旋涡分 量. 因此,ur,uz,BrBz 可根据 ψθϕθ 被表示为

ur=(ψθ)z,uz=1rψθ+(ψθ)r,Br=(ϕθ)z,Bz=1rϕθ+(ϕθ)r. (2.7)

因此,我们得到

{(uθ)t+ur(uθ)r+uz(uθ)z(21r2)uθ+1ruθur=Br(Bθ)r+Bz(Bθ)z+1rBθBr,(ωθ)t+ur(ωθ)r+uz(ωθ)z(21r2)ωθ1rurωθ1r[(uθ)2]z=Br(jθ)r+Bz(jθ)z1rBrjθ1r[(Bθ)2]z,(21r2)ψθ=ωθ, (2.8)
{(Bθ)t+ur(Bθ)r+uz(Bθ)z(21r2)Bθ+1ruθBr=Br(uθ)r+Bz(uθ)z+1rurBθ,$(jθ)t+ur(jθ)r+uz(jθ)z(21r2)jθBr(ωθ)rBz(ωθ)z=[(ur)r(uz)z][(Br)z+(Bz)r]+[(Bz)z(Br)r][(ur)z+(uz)r],$(21r2)ϕθ=jθ. (2.9)

类似于 Navier-Stokes 方程组,对于三维轴对称 MHD 方程组在 r=0 时都满足如下相容性条件

uθ(0,z,t)=ωθ(0,z,t)=ψθ(0,z,t)=0,

Bθ(0,z,t)=jθ(0,z,t)=ϕθ(0,z,t)=0.

因此,重写 uθ,ωθ,ψθ,Bθ,jθϕθ 如下

uθ(r,z,t)=ru1(r,z,t),ωθ(r,z,t)=rω1(r,z,t),ψθ(r,z,t)=rψ1(r,z,t),Bθ(r,z,t)=rB1(r,z,t),jθ(r,z,t)=rj1(r,z,t),ϕθ(r,z,t)=rϕ1(r,z,t). (2.10)

则可推导出关于 u1(r,z,t),ω1(r,z,t),ψ1(r,z,t),B1(r,z,t), j1(r,z,t)ϕ1(r,z,t) 的与方程组 (2.8)-(2.9) 等价的方程组

(u1)t+ur(u1)r+uz(u1)z2ψ1zu1(u1zz+u1rr+3ru1r)=Br(B1)r+Bz(B1)z2ϕ1zB1, (2.11)
(ω1)t+ur(ω1)r+uz(ω1)z[(u1)2]z(ω1zz+ω1rr+3rω1r)=Br(j1)r+Bz(j1)z[(B1)2]z, (2.12)
(ψ1zz+ψ1rr+3rψ1r)=ω1, (2.13)
(B1)t+ur(B1)r+uz(B1)z(B1zz+B1rr+3rB1r)=Br(u1)r+Bz(u1)z, (2.14)
(j1)t+ur(j1)r+uz(j1)zψ1zj1(j1zz+j1rr+3rj1r)Br(ω1)r=Bz(ω1)zϕ1zj1+1r(urruzz)(Brz+Bzr)+1r(BzzBrr)(urz+uzr), (2.15)
(ϕ1zz+ϕ1rr+3rϕ1r)=j1, (2.16)

这里 uruz 同样被重新表示为

ur=(rψ1)z,uz=1r(r2ψ1)r,Br=(rϕ1)z,Bz=1r(r2ϕ1)r. (2.17)

注意到不可压以及磁场散度约束条件 (2.4) 仍成立并可由 (2.17)式 推导出来. 下面,我们回顾 Ap 类的定义.

定义 2.1 [10] (Ap 类) 设局部可积函数 ω(x) 对于所有在 Rn 内的球 B 满足 Ap 不等式

1|B|Bω(x)dx(1|B|Bω(x)ppdx)ppA<, (2.18)

其中,pp 对偶,即 1p+1p=1 (1<p<). 若存在一个小常数 A 对于 (2.18)式成立,则称 Ap 是关于 ω(x) 有界的,并记为Ap(ω(x)).

引理 2.1 [2]ω(x)=ω(r)=1r2R3 内属于 Ap 类 ,存在一个正常数 C>0 使得

R4×Π1|2u|pω(x)dx1dx2dx3dx4dzCR4×Π1|f|pω(x) dx1dx2dx3dx4dz, (2.19)
这里 x=(x1,x2,x3,x4)R4, r=x21+x22+x23+x24,Π1 是一个周期为 1 的一维环面,则f=Δu,fu 关于权函数 ω(x) 都为 Lp(1<p<) 可积.

引理 2.2ω1,ψ1,j1,ϕ1Lp(R2×Π1),1<p<,ψ1ϕ1 为(2.12)和(2.16) 的解,且在 z 方向具有周期为 1 的周期性边界条件,则

ψ1zzLp(R2×Π1)Cω1Lp(R2×Π1), (2.20)
ϕ1zzLp(R2×Π1)Cj1Lp(R2×Π1). (2.21)

证明过程类似于文献 [2,引理 2].

3 正则性准则的证明

本节考虑两类 MHD 方程组的特解: (1) uθ=0,Br=Bz=0,(2) Br=Bz=0, 给出定理 1.1 和定理 1.2 的证明.

(1) uθ=0,Br=Bz=0

本节考虑一族特解

u(x,t)=ur(r,z,t)er+uz(r,z,t)ez,B(x,t)=Bθ(r,z,t)eθ. (3.1)

易知,若 uθ,Br,Bz 的初值为零,则恒为零. 因此,(2.11)-(2.16)式被简化为

(B1)t+ur(B1)r+uz(B1)z=(B1zz+B1rr+3rB1r), (3.2)
(ω1)t+ur(ω1)r+uz(ω1)z=[(B1)2]z+(ω1zz+ω1rr+3rω1r), (3.3)
(ψ1zz+ψ1rr+3rψ1r)=ω1. (3.4)

定理 1.1 的证明Ω=R2×[0,1],定义 f=|B1|p,g=|W1|q, p=2q. (3.2) 式乘以 |B1|2p2B1 且在 Ω 上积分,得

12pddtΩf2rdrdz+Ω|B1|2p2B1[ur(B1)r+uz(B1)z]rdrdz=Ω|B1|2p2B1(B1zz+B1rr+3rB1r)rdrdz=Ω|B1|2p2B1B1zzrdrdz+Ω|B1|2p2B1(rB1r)rrrdrdz+Ω|B1|2p2B12B1rrrdrdz:=I1+I2+I3, (3.5)

由分部积分及 (2.4)式,得

Ω|B1|2p2B1[ur(B1)r+uz(B1)z]rdrdz=0.

I1=Ω|B1|2p1rdrdB1z=(2p1)Ω|B1|2p2(|B1|z)2rdrdz=2p1p2Ω(fz)2rdrdz.

I2=Ω|B1|2p1drB1rdz=(2p1)Ω|B1|2p2(|B1|r)2rdrdz=2p1p2Ω(fr)2rdrdz.

I3=1pΩ(|B1|2p)rdrdz=1p100d|B1|2pdz=1p10|B1|2p(0,z,t)dz=1p10f2(0,z,t)dz.

因此,得到

12pddtΩf2rdrdz=(2p1)p2f2L2(Ω)1p10f2(0,z,t)dz. (3.6)

类似地,(3.3)式乘以 |ω1|2q2ω1 且在 Ω 上积分,得

12qddtΩg2rdrdz+Ω|ω1|2q2ω1[ur(ω1)r+uz(ω1)z]rdrdz=Ω|ω1|2q2[(B1)2]zrdrdz+Ω|ω1|2q2ω1(ω1zz+(rω1r)rr+2rω1r)rdrdz:=J1+J2+J3+J4, (3.7)

这里同样由分部积分和(2.4)式,得

Ω|ω1|2q2ω1[ur(ω1)r+uz(ω1)z]rdrdz=0.

关于 J1,我们利用 Hölder 不等式,Young's 不等式及 p=2q

J1(2q1)Ωf2p|ω1|2q2|ω1|zrdrdz=(21q)Ωf2pg11q|gz|rdrdz(21q)(Ωf4pg2(11q)rdrdz)12gzL2(Ω)(21q)(f2pL2(Ω)g12pL2(Ω))gzL2(Ω)Cqf4pL2(Ω)g2(12p)L2(Ω)+2q14q2g2L2(Ω)Cq2p12p2f2L2(Ω)+2q14q2g2L2(Ω)+2q14q2g2L2(Ω).

I1I3 类似,得

J1=Ω|ω1|2q1rdrdω1z=(2q1)Ω|ω1|2q2(|ω1|z)2rdrdz=2q1q2Ω(gz)2rdrdz.

J3=Ω|ω1|2q1drω1rdz=(2q1)Ω|ω1|2q2(|B1|r)2rdrdz=2q1q2Ω(gr)2rdrdz.

J4=1qΩ(|ω1|2q)rdrdz=1q10|ω1|2q(0,z,t)dz=1q10g2(0,z,t)dz.

因此,得到

12qddtΩg2rdrdzCq2p12p2f2L2(Ω)+2q14q2g2L2(Ω)+2q14q2g2L2(Ω)(2q1)q2g2L2(Ω)1q10g2(0,z,t)dzCq2p12p2f2L2(Ω)(2q1)2q2g2L2(Ω), (3.8)

这里我们使用沿着 z 方向的 Poincare 不等式

fL2fzL2,gL2gzL2.

(3.6)式乘以 Cq 后与 (3.8) 式相加,得到

ddt(Cq2pΩf2rdrdz+12qΩg2rdrdz)Cq(2p1)p2f2L2(Ω)+Cq2p12p2f2L2(Ω)(2q1)2q2g2L2(Ω)Cq(2p1)2p2f2L2(Ω)(2q1)2q2g2L2(Ω)0. (3.9)

利用 Gronwall 不等式,得

Cq2pΩf2rdrdz+12qΩg2rdrdzCq2pΩf20rdrdz+12qΩg20rdrdz. (3.10)

根据初值条件(1.5),有

B1(r,z,0)=εδB1(ε2r,z),ω1(r,z,0)=εδW1(ε2r,z), (3.11)

其中 B1L2p(Ω),W1L2q(Ω) 独立于 ε. 此外,我们有

f01pL2(Ω)=(Ω1ε4|εδB1(ε2r,z)|2pε2rdε2rdz)12p=εδ2pB1L2p(Ω). (3.12)

类似地,得到

g01qL2(Ω)=εδ2qW1L2q(Ω). (3.13)

将(3.10),(3.12) 和 (3.13) 式相加,得到 B1L2p(Ω), ω1L2q(Ω) 整体有界以及 BθL2p(Ω), ωθL2q(Ω) 整体有界. 定理 1.1 证毕.

(2) Br=Bz=0

本节考虑一族特解

u(x,t)=ur(r,z,t)er+uθ(r,z,t)eθ+uz(r,z,t)ez,B(x,t)=Bθ(r,z,t)eθ. (3.14)

易知,若 Br,Bz 的初值为零,则恒为零. 因此,(2.11)-(2.16)式 被简化为

(u1)t+ur(u1)r+uz(u1)z=2(ψ1)zu1+(u1zz+u1rr+3ru1r), (3.15)
(ω1)t+ur(ω1)r+uz(ω1)z=[(u1)2]z[(B1)2]z+(ω1zz+ω1rr+3rω1r), (3.16)
(B1)t+ur(B1)r+uz(B1)z=(B1zz+B1rr+3rB1r), (3.17)
(ψ1zz+ψ1rr+3rψ1r)=ω1. (3.18)

定理 1.2 的证明Ω=R2×[0,1],且定义 h=|u1|p,f=|B1|p,g=|W1|q,p=2q. (3.15) 式乘以 |u1|2p2u1 且在 Ω 上积分,得

12pddtΩh2rdrdz+Ω|u1|2p2u1[ur(u1)r+uz(u1)z]rdrdz=Ω|u1|2p(ψ1)zrdrdz+Ω|u1|2p2u1[u1zz+(ru1r)rr+2ru1r]rdrdz:=K1+K2, (3.19)

这里由分部积分及(2.4)式,得

Ω|u1|2p2u1[ur(u1)r+uz(u1)z]rdrdz=0.

关于K1,利用沿 z 方向的 Poincare 不等式

ψ1zL2q(Ω)ψ1zzL2q(Ω),

引理 2.2 和 Hölder 不等式,有

K1ψ1zL2q(Ω)h2L2q2q1(Ω)=g1qL2(Ω)h2L4q2q1(Ω)Cpg1qL2(Ω)h232qL2(Ω)h32qL2(Ω).

类似于 I1I3,估计 K2

K2(2p1)p2h2L2(Ω)1p10h2(0,z,t)dz(2p1)p2h2L2(Ω).

因此,得到

12pddtΩh2rdrdzCpg1qL2(Ω)h232qL2(Ω)h32qL2(Ω)(2p1)p2h2L2(Ω)Cpg1qL2(Ω)h2L2(2p1)p2h2L2(Ω), (3.20)

这里利用了沿z 方向的 Poincare 不等式

hL2hzL2.

类似的,(3.3)式乘以 |ω1|2q2ω1 且在 Ω 上积分,得

12qddtΩg2rdrdz+Ω|ω1|2q2ω1[ur(ω1)r+uz(ω1)z]rdrdz=Ω|ω1|2q2ω1[(u1)2]zrdrdzΩ|ω1|2q2ω1[(B1)2]zrdrdz+Ω|ω1|2q2ω1(ω1zz+(rω1r)rr+2rω1r)rdrdz:=L1+L2+L3, (3.21)

这里由分部积分及 (2.4)式,得

Ω|ω1|2q2ω1[ur(ω1)r+uz(ω1)z]rdrdz=0.

L1(2q1)Ωh2p|ω1|2q2|ω1|zrdrdz=(21q)Ωh2p|ω1|q1(g|ω1|q1|ω1z|)rdrdz(21q)(Ωh4pg2(11q)rdrdz)12gzL2(Ω)(21q)(h2pL2(Ω)g12pL2(Ω))gzL2(Ω)Cqh4pL2(Ω)g2(12p)L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)Cq2p18p2h2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω),

这里我们利用了分部积分,Hölder 不等式,Young's 不等式和 p=2q. 类似于 J1J4,得

L2Cq2p18p2f2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω).

L3(2q1)q2g2L2(Ω)1q10g2(0,z,t)dz(2q1)q2g2L2(Ω).

因此,我们有

12qddtΩg2rdrdzCq2p18p2h2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)+Cq2p18p2f2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)+2q18q2g2L2(Ω)(2q1)q2g2L2(Ω)Cq2p18p2[ h2L2(Ω)+f2L2(Ω) ](2q1)2q2g2L2(Ω). (3.22)

用 (3.2) 式乘以 |B1|2p2B1 且在 Ω 上积分,得

12pddtΩf2rdrdz=Ω|B1|2p2B1(B1zz+B1rr+3rB1r)rdrdz=(2p1)p2f2L2(Ω)1p10f2(0,z,t)dz(2p1)p2f2L2(Ω). (3.23)

将 (3.20),(3.21) 和 (3.22)式相加,有

ddt(Cq2pΩh2rdrdz+12qΩg2rdrdz+Cq2pΩf2rdrdz)CqCpg1qL2(Ω)h2L2Cq(2p1)p2h2L2(Ω)+Cq2p18p2[h2L2(Ω)+f2L2(Ω)](2q1)2q2g2L2(Ω)Cq(2p1)p2f2L2(Ω)Cq[Cpg1qL2(Ω)7(2p1)8p2]h2L2. (3.24)

若要 (3.24)式 的右边为负,只需

Cpg1qL2(Ω)7(2p1)8p20. (3.25)

如果 (3.25) 式成立,有

ddt(Cq2pΩh2rdrdz+12qΩg2rdrdz+Cq2pΩf2rdrdz)0.

由 Gronwall 不等式,得

Cq2pΩh2rdrdz+12qΩg2rdrdz+Cq2pΩf2rdrdzCq2pΩh20rdrdz+12qΩg20rdrdz+Cq2pΩf20rdrdz. (3.26)

根据初值 条件(1.6),有

u1(r,z,0)=ε2δU1(ε2δr,z),ω1(r,z,0)=ε2δW1(ε2δr,z),B1(r,z,0)=ε2δB1(ε2δr,z),

h01pL2(Ω)=ε2δ(11p)U1L2p(Ω),g01qL2(Ω)=ε2δ(11q)W1L2q(Ω),

f01pL2(Ω)=ε2δ(11p)B1L2p(Ω),

这里 U1,B1L2p(Ω),W1L2q(Ω) 独立于 ε. 根据 (3.26)式,有

g1qL2(Ω)(qpCq)12qε4δ(11q)U12L2p(Ω)+ε2δ(11q)W12L2q(Ω)+(qpCq)12qε4δ(11q)B12L2p(Ω).

因此,如果 ε 充分小,使

(qpCq)12qε4δ(11q)U12L2p(Ω)+ε2δ(11q)W12L2q(Ω)+(qpCq)12qε4δ(11q)B12L2p(Ω)7(2p1)8p2,

其中 δ>1q. 则 u1L2p(Ω), B1L2p(Ω),ω1L2q(Ω) 整体有界和 UθL2p(Ω), BθL2p(Ω), ωθL2q(Ω) 整体有界. 定理 1.2 证毕.

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具有各向异性初值的三维轴对称不可压MHD方程组的整体正则性
吴继晖, 王术, 陆雷