平面平行管道中的MHD方程组的边界层
The Boundary Layer for MHD Equations in a Plane-Parallel Channel
通讯作者:
收稿日期: 2018-04-4
基金资助: |
|
Received: 2018-04-4
Fund supported: |
|
该文研究平面平行管道中不可压缩MHD方程组的边界层问题.利用多尺度分析和精细的能量方法,证明了当粘性系数与磁耗散系数趋近于0时,粘性与磁耗散MHD方程组的解收敛到理想MHD方程组的解.
关键词:
In this paper, we study the boundary layer problem for the incompressible MHD equations in a plane-parallel channel. Using the multiscale analysis and the careful energy method, we prove the convergence of the solution of viscous and diffuse MHD equations to that of the ideal MHD equations as the viscosity and magnetic diffusion coefficient tend to zero.
Keywords:
本文引用格式
王娜, 王术.
Wang Na, Wang Shu.
1 引言
磁流体力学(MHD)方程组是描述导电流体和电磁场之间相互作用的物理模型.在数学上,它是流体力学方程和磁场方程的强耦合组.在三维空间中,带有狄利克雷边界条件的不可压缩MHD方程组为
带有滑移边界条件
这里
对于不可压缩MHD方程组的边界层问题,已经有了一些结果.当速度满足特征狄利克雷边界条件(边界上无滑移无渗透),磁场满足完美传导墙边界条件, Liu等[10]研究初始磁场的第一个分量在边界上非退化的情况,得到了二维空间中的
这里
寻找系统(1.1)具有与(1.4)–(1.5)式相同形式的解
将(1.5)和(1.6)式代入到方程组(1.1)中可以得到
初始和边界条件为
这里
其中
初始值为
我们可以很容易求解方程组(1.10).并且若假设
本文结构如下.在第2部分中,我们构造近似解并且给出本文的主要结果.第3部分致力于研究边界层函数的能量估计.第4部分是主要结果的证明.第5部分是总结.
2 近似解的构造
在引言中我们观察到若
从
这里
在整篇文章中,
定理2.1 假设
成立,则有
其中
利用将在第3部分中获得的边界层函数的衰减性质,我们可以进一步推断出
定理2.2 假设
则有
这里
注2.1 我们可以找到这样的
在下一部分中,我们将研究边界层函数,因为其范数估计将有助于定理的证明.
3 边界层函数
在本部分中,我们将在定理关于
我们发现(1.7)式可以改写为
将(2.1)式代入到上面的方程组中去,利用关于
初始和边界条件为
以及
初始和边界条件为
很容易获得上述方程组的适定性.由于方程组(3.1)和方程组(3.2)的对称性,我们仅处理关于
命题3.1 假设
其中
证 令
上述方程两端同时乘上
利用Gronwall不等式,我们有
这里用到了Sobolev嵌入定理:
在方程(3.7)两端同时乘上
对上述不等式关于时间积分,可以得到
因此
事实上,由最大值原理也可以得到
接下来,在(3.7)式两端同时乘上
由Gronwall不等式可以获得
最后,结合(3.9), (3.11)–(3.13)式以及
因为关于
命题3.2 假设
这里
在下面的命题中,我们将得到
命题3.3 假设
这里
证 定义
利用方程组(3.1)的第三个和第四个方程,可以得到
这里
第1步 在方程组(3.22)的第一个方程两端同时乘上
应用Gronwall不等式可以获得
这里用到了命题3.1和3.2的结论,以及
第2步 对方程组(3.22)作用算子
其中
类似地,可以得到
这里
第3步 在方程组(3.22)的第一个方程两端同时乘上
然后应用柯西不等式以及关于时间积分,可得
这里
第4步 对方程组(3.22)作用算子
这里
这里
第6步 在方程组(3.22)的第一个方程两端同时乘上
利用柯西不等式和Gronwall不等式,可以获得
这里
最后,结合(3.24), (3.28), (3.30), (3.31)和(3.33)式以及
由于
4 定理的证明
现在我们开始证明定理2.1和2.2.定义误差函数为
利用方程组(1.7), (1.10), (3.1)和(3.2),可以获得关于误差函数
这里
4.1 定理2.1的证明
在(4.1)式两端同时乘上
我们估计右端的每一项,
因此
然后应用Gronwall不等式以及命题3.1,可以得到
由于关于
接下来,我们对
在方程组(4.3)的第一个方程两端同时乘上
然后开始估计上面等式右端的每一项.
这里用到了Sobolev嵌入定理:
同理
接下来
类似地
对于
同理
接下来估计
同理
对于
这里用到了Sobolev嵌入定理.
同理对于
接下来对于
同理对于最后一项可以得到
将(4.13)–(4.26)式代入到(4.12)式中,应用Gronwall不等式,命题3.1–3.3,以及(4.10)–(4.11)式,最终可以获得
这样就完成了定理2.1的证明.
4.2 定理2.2的证明
我们将证明分为4步.
第1步 方程(4.1)两端同时乘上
开始估计右端的每一项.
将(4.29)–(4.31)式代入到(4.28)式中,可以获得
关于时间积分,有
结合(4.10)式,可以得到
对于
第2步 对方程组(4.3)分别作用算子
第3步 在方程组(4.3)的第一个方程两端同时乘上
关于时间积分,可以得到
这里用到了(4.10), (4.11)和(4.36)式以及
第4步 对方程组(4.3)作用算子
这里用到了(4.37)式.
最后,利用(4.27), (4.36), (4.39)和(4.40)式以及各向异性Sobolev不等式,可以得到
这就完成了证明.
5 总结
本文通过寻找带有无渗透狄利克雷边界条件的不可压缩MHD方程组的平面平行管道流解,构造出了方程组的近似解.在粘性系数、磁耗散系数以及边界层的厚度满足一定的关系时,我们得到了误差函数的
参考文献
Boundary layer associated with a class of 3D nonlinear plane parallel channel flows
,DOI:10.1512/iumj.2011.60.4479 [本文引用: 3]
Boundary layer theory and the zero viscosity limit of the Navier-Stokes equations
,DOI:10.1007/s101140000034 [本文引用: 1]
Boundary layer for a class of nonlinear pipe flow
,DOI:10.1016/j.jde.2012.02.012 [本文引用: 1]
Inéquation en themoélasticite et magnétohydrodynamique
,DOI:10.1007/BF00250512 [本文引用: 1]
On the regularity of weak solutions to the magnetohydrodynamic equations
,DOI:10.1016/j.jde.2004.07.002 [本文引用: 1]
Partial regularity of suitable weak solutions to the incompressible magnetohydrodynamic equations
,DOI:10.1016/j.jfa.2005.06.009 [本文引用: 1]
The Euler limit of the Navier-Stokes equations, and rotating fluids with boundary
,DOI:10.1007/s002050050097 [本文引用: 1]
Remarks about the inviscid limit of the Navier-Stokes system
,DOI:10.1007/s00220-006-0171-5 [本文引用: 1]
Zero viscosity limit for analytic solutions of the Navier-Stokes equations on a half space I:Existence for Euler and Prandtl equations
,
Zero viscosity limit for analytic solutions of the Navier-Stokes equations on a half space Ⅱ:Construction of Navier-Stokes solution
,DOI:10.1007/s002200050305 [本文引用: 1]
Some mathematical questions related to the MHD equations
,DOI:10.1002/cpa.3160360506 [本文引用: 1]
Asymptotic analysis of Oseen type equations in a channel at small viscosity
,
Remarks on the Prandtl equation for a permeable wall
,DOI:10.1002/1521-4001(200011)80:11/12<835::AID-ZAMM835>3.0.CO;2-9 [本文引用: 1]
Boundary layer associated with incompressible Navier-Stokes equations:The noncharacteristic boundary case
,DOI:10.1006/jdeq.2001.4038 [本文引用: 2]
Regularity criteria for the generalized MHD equations
,DOI:10.1080/03605300701382530 [本文引用: 1]
Boundary layer problem and zero viscosity-diffusion vanishing limit of the incompressible Magnetohydrodynamic system with no-slip boundary conditions
,DOI:10.1016/j.jde.2017.05.025 [本文引用: 2]
不可压缩MHD方程组的边界层问题
,
The boundary layer problem for the incompressible MHD equations
Boundary layer problem of MHD system with noncharacteristic perfect conducting wall
,DOI:10.1080/00036811.2017.1395867 [本文引用: 2]
Vanishing vertical limit of the incompressible combined viscosity and magnetic diffusion magnetohydrodynamic system
,DOI:10.1002/mma.4950 [本文引用: 1]
Boundary-layer interactions in the plane-parallel incompressible flows
,DOI:10.1088/0951-7715/25/12/3327 [本文引用: 2]
A kato type theorem on zero viscosity limit of Navier-Stokes flows
,DOI:10.1512/iumj.2001.50.2098 [本文引用: 1]
/
〈 | 〉 |