高阶各向异性Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统的弱解
Weak Solutions to Higher-Order Anisotropic Cahn-Hilliard-Navier-Stokes Systems
Received: 2020-06-3
Fund supported: |
|
作者简介 About authors
罗娇,E-mail:
漆前,E-mail:
In this paper, we are concerned with weak solutions to higher-order anisotropic Cahn-Hilliard-Navier-Stokes systems in a two-dimensional bounded domain. The system consists of an incompressible Navier-Stokes equation coupled with a higher-order anisotropic Cahn-Hilliard equation. First some functional spaces and the definition of weak solutions are introduced. Then energy estimates of the solutions are given, and weak solutions of the system are obtained by Galerkin approximation scheme. Furthermore, the uniqueness of the solution to the system is proved.
Keywords:
本文引用格式
罗娇, 漆前, 罗宏.
Luo Jiao, Qi Qian, Luo Hong.
1 引言
关于高阶Cahn-Hilliard方程以及相应耦合的CHNS系统的研究也有很多成果[12-19]. Cherfils等[12]得到了高阶各向同性的Cahn-Hilliard方程的适定性结果和全局吸引子.文献[13]证明了具有动态边界条件的高阶Cahn-Hilliard方程的适定性和耗散性.文献[14]证明了高阶各向同性的Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统弱解的存在唯一性.在此基础上, Pan等在文献[15]中也从各向同性的角度提升了高阶CHNS系统的弱解关于时间的正则性结果.另一方面, Caginalp和Esenturk在文献[16]中提出了高阶Cahn-Hilliard系统来考虑各向异性界面.关于高阶各向异性的Cahn-Hilliard方程, 文献[17]中得到了其适定性结果以及全局吸引子的存在性.一般高阶的Cahn-Hilliard方程和修正高阶各向异性的Cahn-Hilliard方程的适定性结果分别在文献[18-19]中得到.
虽然高阶Cahn-Hilliard方程和高阶各向同性的CHNS系统已经被广泛研究, 但是关于高阶各向异性的CHNS系统的研究很少.基于此, 本文研究由高阶各向异性的Cahn-Hilliard方程和不可压缩的Navier-Stokes方程耦合而成的CHNS系统.我们假设两种流体有不可忽略的温差, 相同的常数密度(等于
其中
其中
特别的,
本文我们将讨论高阶各向异性的CHNS系统(1.1)的弱解.第2节给出相应的假设, 介绍所需的空间和算子, 同时给出系统(1.1)弱解的定义; 第3节给出了解的能量估计, 通过Galerkin方法证明弱解的存在性, 并得到弱解的唯一性.
2 预备知识
为了本文研究, 假设
其中
其中
假设
其中
由Poincaré不等式可知,
此外, 假设
是对称连续强制的双线性形式, 因此定义一个从
其中
对
由Poincaré不等式易得
则
记
其中
定义相空间如下
由于对
其中
定义2.1 令
满足(2.3)式, 则称
3 弱解的存在唯一性
为了得到弱解的存在性, 先进行先验估计得到以下结论.
定理3.1 令
其中单增非减函数
证 在方程(2.3)1中取
在方程(2.3)2中取
在方程(2.3)3中取
其中
由Young不等式得, 对
故
当
由(3.2)–(3.4)式得到
再在方程(2.3)3中取
令
其中
由(3.6)式和(3.7)式得到
其中
现对(3.10)式的右边进行估计, 由Hölder, Poincaré和Young不等式有
其中
由Hölder, Young不等式可得
另一方面, 通过(2.1)式, 对
其中
由(3.5)式, (3.11)–(3.14)式和Poincaré不等式, 得到
其中
由Young不等式, (2.1)
当
因此, 由(3.16)式和(3.17)式可得
设
由Gronwall不等式(参见文献[23, 引理2.5]), 可得
对(3.19)式在
通过(3.20)式和(3.21)式有
于是从(3.8)式, (3.15)式和(3.22)式, 可得
其中
接下来证明(3.1)式中的其余项.显然, 从(3.23)式可得
从(1.1)4式, (2.2)式, (3.23)式, (3.24)式以及
通过(1.1)4式, (3.24)式和正则性结果, 有
此外, 从(1.1)3式, (3.23)式和(3.24)式, 可得
因此,
为了得到
和
可以得到
从(1.1)
结合(3.23)式, (3.25)式, (3.26)式和(3.29)式, 可得(3.1)式.定理3.1证毕.
定理3.2 令
由于
满足对
其中当
实际上, (3.30)式是关于函数
由定理3.1知, 存在与
固定
用
令
令
因此, 系统(1.1)存在弱解.定理3.2证毕.
通过以下定理, 可以得到系统(1.1)的弱解关于初值的连续依赖性.
定理3.3 令
其中
证 令
将(3.32)
将(3.32)
再将(3.32)
从(3.33)–(3.35)式可得
接下来将对(3.36)式的右边进行估计, 通过Hölder, Ladyzhenskaya, Young不等式和(3.5)式, 前五项的估计如下
以及
和
由Hölder和Sobolev不等式, (3.36)式的最后两项估计如下
和
其中
此外, 通过Hölder, Young, Poincaré和(3.5)式, (3.36)式的余下项估计如下
和
由(3.37)–(3.46)式, 可得
其中
另一方面, 将(3.19)式在
由(3.1)式和(3.48)式, 容易得到
其中
因此, 在(3.47)式中取
其中
注3.1 由定理3.3可得系统(1.1)弱解的唯一性.
参考文献
Diffuse-interface methods in fluid mechanics
,
Two-phase binary fluids and immiscible fluids described by an order parameter
,
Coarse-grained description of thermo-capillary flow
,
Phase field approach to multiphase flow modeling
,
On a diffuse interface model for a two-phase flow of compressible viscous fluids
,
Phase-field models for multi-component fluid flows
,
Dynamic transitions and pattern formations for a Cahn-Hilliard model with long-range repulsive interactions
,
Global attractor of the Cahn-Hilliard equation in Hk spaces
,
Global attractor of the Cahn-Hilliard-Navier-Stokes system with moving contact lines
,
Asymptotic behavior of a Cahn-Hilliard-Navier-Stokes system in 2D
,
Global solutions for the 2D NS-CH model for a two-phase flow of viscous, incompressible fluids with mixed partial viscosity and mobility
,
Higher-order models in phase separation
,
Higher-order Cahn-Hilliard equations with dynamic boundary conditions
,
Asymptotic behavior of higher-order Navier-Stokes-Cahn-Hilliard systems
,
Uniform regularity of the weak solution to higher-order Navier-Stokes-Cahn-Hilliard systems
,
Anisotropic phase field equations of arbitrary order
,
Higher-order anisotropic models in phase separation
,
Higher-order generalized Cahn-Hilliard equations
,
Well-posedness for modified higher-order anisotropic Cahn-Hilliard equations
,
Free energy of nonuniform system, Ⅰ. interfacial free energy
,
Estimates near the boundary for solutions of elliptic partial differential equations satisfying general boundary conditions Ⅱ
,
Uniform attractors for a phase-field Model with memory and quadratic nonlinearity
,
Mathematical study of multi-phase flow under shear through order parameter formulation
,
On solution to the Navier-Stokes equations with Navier slip boundary condition for three dimensional incompressible fluid
,
/
〈 | 〉 |