本文主要研究三维水平周期的平板区域
内的可压缩Navier-Stokes方程
这里$\tilde{\rho}=\tilde{\rho}(\tilde{x}, \tilde{t})$, $\tilde{v}=\big(\tilde{v}_1(\tilde{x}, \tilde{t}), \tilde{v}_2(\tilde{x}, \tilde{t}), \tilde{v}_3(\tilde{x}, \tilde{t})\big)^{\perp}$分别表示密度和速度, $\tilde{P} =\tilde{P}(\tilde{\rho})$表示压力且是$\tilde{\rho}$的光滑函数, 满足对任意给定的$\rho_{\ast}>0$都有
这里$\cdot^{\perp}$表示转置. $\mu$和$\overline{\mu}$表示粘性系数, 满足
假设外力$\tilde{{\bf g}}=ge_1$, 其中$g$是常数, $e_1=(1, 0, 0)^{\perp}$.
首先, 假设流体是由沿着$\tilde{x}_1$方向运动速度为$V$的上板和外力$\tilde{{\bf g}}$所驱动, 其中$V>0$为常数.假设无滑移的边界条件
$\Sigma_h=\{\tilde{x}_3=h\}$表示$\Omega_h$的上边界, $\Sigma_b=\{\tilde{x}_3=0\}$是下边界.
方程(1.1)-(1.3)具有形如$\tilde{u}_s=(\tilde{\rho}_s, \tilde{v}_s)$的稳态解
这就是所谓的平面Couette-Poiseuille流.
对任意的雷诺数, Romanov[5]证明了不可压Navier-Stokes方程平面Couette流小扰动问题的稳定性.对于可压缩流, 当马赫数和雷诺数满足
Kagei[3]证明了可压Navier-Stokes方程平面Poiseuille流的线性不稳定性.本文的主要目的是找到适当的马赫数和雷诺数使得平面Couette-Poiseuille流是不稳定的.
本节首先给出方程(1.1)的无量纲形式, 然后推导其扰动方程, 最后介绍一些本文用到的函数空间的相关知识.
设$V={\frac{\beta\rho_{\ast}g h^2}{2\mu}}$, 其中$\beta\in\Bbb R$.令
首先, 引入下面的无维数变量
则当$\beta\in(-\infty, -3+2\sqrt{2}]\cup[1, +\infty)$或$\beta\in(-3+2\sqrt{2}, 1)$时, 问题(1.1})在区域$\Omega=[-\frac{\pi}{\alpha_1h}, \frac{\pi}{\alpha_1h})\times[-\frac{\pi}{\alpha_2h}, \frac{\pi}{\alpha_2h})\times (0, 1)$上分别具有如下形式
或
边界条件
且在新坐标下稳态平面Couette-Poiseuille流变成
$\nu$和$\overline{\nu}$是如下给定的无量纲系数
雷诺数$Re$, 第二雷诺数$\overline{Re}$以及马赫数$Ma$分别为
本文主要考虑$\beta\in (-3+2\sqrt{2}, 1)$时的方程, 对$\beta\in (-\infty, -3+2\sqrt{2}]\cup[1, +\infty)$证明类似.下面我们先推导扰动方程, 令$u=(\phi, \omega)^{\perp}=(\gamma^2(\rho-\rho_s), v-v_s)^{\perp}$带入(2.2)式, 利用$\gamma=Ma^{-1}$, 可得如下的初边值问题:
这里$\nu'=\nu+\overline{\nu}$, $f_0$和${\bf f}$是非线性项
其中
在给出主要结果之前, 先引入本文需要的符号和记法. $L^p(\Omega)$和$W^{k, p}(\Omega)$表示一般的Lebesgue空间.特别地, 范数$\|\cdot\|_{L^p(\Omega)}=\|\cdot\|_{L^p}$可简记为$\|\cdot\|_p$.若$u=(\phi, \omega)^{\perp}$, 其中$\phi\in W^{k, p}(\Omega)$和$\omega=(\omega_1, \omega_2, \omega_3)^{\perp}\in W^{l, q}(\Omega)$, 定义范数
若$k=l$, $p=q$, 则简记$\|u\|_{W^{k, p}(\Omega)\times W^{k, p}(\Omega)} =\|u\|_{W^{k, p}(\Omega)}$. $L^2(\Omega)$空间的内积表示成
其中$u_j=(\phi_j, \omega_j)\in L^2(\Omega)$, $\overline{f}$表示函数$f$的共轭.
$L^p(0, 1)$空间范数记为$|\cdot|_p$, $W^{k, p}(0, 1)$和$H^k(0, 1)$空间范数分别记为$|\cdot|_{W^{k, p}}$和$|\cdot|_{H^k}$. $L^2(0, 1)$空间的内积表示成
其中$u_j=(\phi_j, \omega_j)\in L^2(0, 1)$.
更进一步, 对$f\in L^1(0, 1)$, $f$在$(0, 1)$上的平均记为$\langle f\rangle$
$I_k$表示$k$阶单位矩阵. $Q_0$和$\tilde{Q}$是$4\times 4$对角矩阵
对任意函数$f=f(x')$, $x'\in[-\frac{\pi}{\alpha_1h}, \frac{\pi}{\alpha_1h})\times[-\frac{\pi}{\alpha_2h}, \frac{\pi}{\alpha_2h})$, 它的Fourier级数展开系数为$\hat{f}(\alpha_{n_1, n_2})$
其中$\alpha_{n_1, n_2}=(\alpha_1n_1h, \alpha_2n_2h)$.
首先, 考虑如下的线性化问题
这里
由文献[1]可知$-L$生成$C_0$半群.定义$\alpha=(\alpha_1h, \alpha_2h)$和$|\alpha|=(\alpha_1^2+\alpha_2^2)^{\frac{1}{2}}h$.
下面给出本文的主要定理.
定理2.1 存在常数$r_0>0$和$\eta_0>0$, 使得如果$|\alpha|\leq r_0$, 则有
对某些$n_1, n_2\in {\bf N}$, 其中$\lambda_{n_1, n_2}$是$-L$的特征值且满足
当$|\alpha_{n_1, n_2}|\rightarrow 0$, $\beta\in(-3+2\sqrt{2}, 1)$时
当$|\alpha_{n_1, n_2}|\rightarrow 0$, $\beta\in (-\infty, -3+2\sqrt{2}]\cup[1, +\infty)$时
由此可知, 当$-\frac{\sqrt{7}}{7} <\beta<\frac{\sqrt{7}}{7}$, 且马赫数和雷诺数满足
则可得$\kappa>0$, 即平面Couette-Poiseuille流是线性不稳定的.
这一节主要是对线性化方程关于$x'\in [-\frac{\pi}{\alpha_1h}, \frac{\pi}{\alpha_1h})\times[-\frac{\pi}{\alpha_2h}, \frac{\pi}{\alpha_2h})$做Fourier级数展开, 且仅考虑其Fourier系数$\hat{u}(\alpha_{n_1, n_2})$的方程.
对方程(2.8)做Fourier级数展开, 令$\xi=\alpha_{n_1, n_2}$可得
其中$\widehat{L}_{\xi}$是$L^2(0, 1)$上的算子, 定义域为
且有如下形式
和
注意到对任意的$\xi\in{\bf R}^2$都有$D(\widehat{L}_{\xi})=D(\widehat{L}_{0})$.
算子$\widehat{L}_{\xi}$关于内积$\langle \cdot, \cdot\rangle$的共轭算子$\widehat{L}^{\ast}_{\xi}$可表示成
且算子$\widehat{L}^{\ast}_{\xi}$的定义域为
为了证明定理2.1, 我们先看当$\xi=0$时算子$-\widehat{L}_{0}$的谱
由于本文是关注于平面Couette-Poiseuille流的不稳定性, 故我们只考虑原点附近的特征值.下面我们给出一个引理, 其证明可参考文献[3].
引理3.1 (1) 存在常数$\eta_1=\eta_1(\nu, \nu', \gamma)>0$, 使得$\{\lambda\in {\bf C}:|\lambda| <\eta_1\}\setminus\{0\}\subset\varrho(-\widehat{L}_{0})$.特别地, 下面的预解式估计对任意的$\lambda\in\{\lambda\in {\bf C}:|\lambda|<\frac{\eta_1}{2}\}\setminus\{0\}$一致成立, 即
此性质对$\widehat{L}_{0}^{\ast}$同样成立.
(2) $\lambda=0$是$-\widehat{L}_{0}$的单重特征值, 即${\cal R}(-\widehat{L}_{0})$是闭的且
(3) 算子$-\widehat{L}_{0}$和$\widehat{L}_{0}^{\ast}$的$0$特征值所对应的特征空间分别为$u^{(0)}$和$u^{(0)\ast}$, 这里
(4) 算子$-\widehat{L}_{0}$和$\widehat{L}_{0}^{\ast}$的$0$特征值所对应的特征空间上的投影$\hat{\Pi}^{(0)}$和$\hat{\Pi}^{(0)\ast}$为
特别地
本节主要计算当$|\xi|\ll 1$时, 算子$-\widehat{L}_{\xi}$在$\{|\lambda|\leq\frac{\eta_1}{2}\}$内的特征值.
先把算子$\widehat{L}_{\xi}$写成如下形式
其中$e_1'=(1, 0)^{\perp}, \ e_2'=(0, 1)^{\perp}$.
基于引理3.1, 下面我们给出当$|\xi|$充分小时, 算子$-\widehat{L}_{\xi}$的预解式估计.
引理4.1 设$\eta_1$是引理3.1中给定的常数, 则存在$r_0=r_0(\eta_0)$, 使得当$|\xi|\leq r_0$时, 下面的预解式估计对$\{|\lambda|=\frac{\eta_1}{2}\}$成立
证 引理4.1的证明类似于文献[2]中的定理$3.2$.这里仅给出简要证明思路.
首先, 令
若$\lambda$满足$\{|\lambda|=\frac{\eta_1}{2}\}$, 则由引理3.1可得存在$r_0=r_0(\eta_0)$, 使得当$|\xi|\leq r_0$时
因此, 当$|\xi|\leq r_0$, $\{|\lambda|=\frac{\eta_1}{2}\}$时, 算子
是$L^2(0, 1)$上的可逆算子.利用Neumann级数展开可得
利用引理3.1直接估计即可得证.
下面我们利用解析算子的扰动理论来证明定理2.1.
定理4.2 存在常数$r_1=r_1(\nu, \nu', \gamma)>0$, 使得若$|\xi|\leq r_1$, 则
这里$\lambda_0(\xi)$是算子$-\widehat{L}_{\xi}$的单重特征值, 且满足
证 利用引理3.1和引理4.1, 利用解析算子的扰动理论(参考[4])可得, 存在常数$r_1=r_1(\nu, \nu', \gamma)>0$, 使得若$|\xi|\leq r_1$, 则
这里$\lambda_0(\xi)$是算子$-\widehat{L}_{\xi}$的单重特征值.与此同时
其中$\hat{S}=[(I-\Pi^{(0)})\widehat{L}_0(I-\Pi^{(0)})]^{-1}$.
只要计算出$\lambda_j^{(1)}$和$\lambda_{jk}^{(2)}$, 定理4.2即可得证.
下面首先计算$\lambda_j^{(1)}$.
命题4.3 $\lambda_j^{(1)}=-\frac{(2+3\beta)i}{12(1+\beta)^2}\delta_{1j}, \quad j=1, 2.$
证 经过计算, 我们有
由此可得
命题4.3证毕.
命题4.4 $\lambda_{22}^{(2)}=-\frac{\gamma^2}{12\nu}$.
证 利用$\widehat{L}_{jk}^{(2)}u^{(0)}=(0, \ast, \ast, \ast)^{\perp}$, 可得对$j, k=1, 2$有
下面计算$\widehat{L}_j^{(1)}\hat{S}\widehat{L}_2^{(1)}u^{(0)}$.易知$\widehat{L}_2^{(1)}u^{(0)}\in {\cal R}(I-\hat{\Pi}^{(0)})$, 所以$\hat{S}\widehat{L}_2^{(1)}u^{(0)}$是下面关于$u=(\phi, \omega)^{\perp}$的方程唯一解
解上述方程可得$\phi=0, \omega_1=0, \ \omega_3=0$, $\omega_2$满足方程$ -\nu\partial_{x_3}^2\omega_2=i, $ $ \omega_2\mid_{x_3=0, 1}=0. $由此可得
计算可得
利用(4.1)和(4.3)式可得
命题4.4证毕.
为了得到$\lambda_{1j}^{(2)}$, 下面先计算$\hat{S}\widehat{L}_1^{(1)}u^{(0)}$.
命题4.5
证 $\hat{S}\widehat{L}_1^{(1)}u^{(0)}$是下面关于$u$的方程唯一解
通过计算得
则方程(4.4)可写成如下方程组的形式
由(4.7)和(4.9)式可得$\omega_2=0$.
对(4.5)式关于$x_3$从$0$到$x_3$直接积分可得
利用(4.8)-(4.11)式可得
由方程(4.6)可得
利用(4.11)-(4.12)式, 以及边界条件(4.9), 经过复杂计算可得
命题4.5证毕.
命题4.6 $\lambda_{1j}^{(2)}=\lambda_{j1}^{(2)}=\kappa\delta_{1j}, \ j=1, 2.$这里
证 由命题4.5可知$\widehat{L}_2^{(1)}\hat{S}\widehat{L}_1^{(1)}u^{(0)}=0$, 所以下面式子成立
联立上式和(4.1)-(4.2)式可得
下面计算$\lambda_{11}^{(2)}$, 注意到(4.1)式, 则有
利用命题4.5中的$\phi^{(1)}$和$\omega_1^{(1)}$的表达式, 经过复杂计算可得
命题4.6证毕.
定理2.1的证明 结合命题4.3-4.6, 即可证明定理4.2, 再利用线性算子Fourier变换的基本性质和定理4.2即可证明定理2.1.