一维非等熵可压缩微极流体的低马赫数极限
Low Mach Number Limit to One-Dimensional Non-Isentropic Compressible Viscous Micropolar Fluid Model
Received: 2019-07-24
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In this paper, we consider the one dimensional non-isentropic compressible micropolar fluid model with general initial data, and justify rigorously the low Mach number limit of this system. The limit relies on the uniform estimates including weighted time derivatives and an extended convergence lemma. Moreover, the difference between the states at ±∞ can be arbitrary large in this case.
Keywords:
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刘欣, 董小磊.
Liu Xin, Dong Xiaolei.
1 引言
其中
我们考虑多方气体, 因此压力函数
热流密度为
其中参数
低马赫数近似的目的是要说明压缩对于压力的变化, 可以忽略不计. 这是讨论高亚音速流体力学时常见的假设. 我们先简要回顾一下欧拉方程、纳维-斯托克斯方程、磁流体力学方程和微极流体方程在这方面的研究结果. 对于欧拉方程, 第一个结果来自于Klainerman和Majda[20-21], 他们证明了等熵可压欧拉方程到不可压缩欧拉方程的局部光滑解的不可压缩极限. Ukai[34]利用声波的快速衰减, 验证了一般初值的低马赫数极限. Schochet[30]在有界区域上对准备充分的初值得到了非等熵可压缩欧拉方程到非等熵不可压缩欧拉方程局部光滑解的收敛性. 对于纳维-斯托克斯方程, Alazard[2]在全空间对准备不足的初值证明了低马赫数极限. Huang, Wang和Wang[13]在全空间上分别对准备充分的初值和准备不足的初值, 得到了背景不是恒定状态的一维非等熵纳维-斯托克斯方程的低马赫数极限. 在有界区域, 低马赫数极限由Jiang和Ou[15]以及Dou, Jiang和Ou[6]所证明. 对于磁流体力学方程, Klainerman和Majda[20]在周期区域对准备充分的初值研究了可压缩等熵磁流体力学方程的低马赫数极限. Hu和Wang[12]分别在无界区域, 周期区域和全空间得到了可压缩粘性磁流体力学方程弱解的收敛性. Fan, Gao和Guo[11]研究了具有零热传导系数的非等熵磁流体力学方程的低马赫数极限. Jiang, Ju, Li和Xin[18]在三维空间上建立了具有一般初值的完全可压缩磁流体力学方程的低马赫数极限. Su[32-33]分别对准备充分和准备不足的初值, 得到了三维可压缩微极流体模型的低马赫数极限. 其他有趣的结果, 对欧拉方程, 可参见文献[1, 27-28]. 对纳维-斯托克斯方程, 可参见文献[5, 10, 19, 22, 26-27]. 对磁流体力学方程, 可参见文献[11-12, 14-17, 23]. 对微极流体方程, 可参见文献[4].
本文我们研究背景不是恒定状态的微极流体的低马赫数极限, 即
因为
在本文中, 令
考虑物理状态中的压力
其中
它的极限系统为
其中
像文献[3]一样, 考虑远场条件
为了说明本文的主要结果, 我们考虑了压力
从式(1.2) 和(1.9) 得出
我们将研究系统(1.10) 解的极限. 形式上, 当
本文的目的是用一般的初始数值严格建立上述极限过程. 为此, 我们补充系统(1.10)的初始条件如下
并且
其中
本文的布局如下: 在第2节, 我们给出了本文的主要结果和一些注释. 第3节, 我们建立了先验估计, 并在这些估计的帮助下, 证明定理2.1. 在第4节中, 我们通过修改Métivier和Schochet[28]提出的论点来证明定理2.2.
2 主要结果
在本节中, 我们首先给出一些符号, 然后陈述柯西问题(1.10), (1.12)的主要结果. 符号选择如下
我们用
由于
现在给出我们的主要结果.
定理2.1 令
其中
其中
注2.1 波的强度
定理2.2(低马赫数极限) 假设初始条件(1.12) 满足
这里
注2.2 当
3 一致估计
为方便起见, 我们省略了变量的上标
和
我们也假设以下的估计成立
定理2.1的证明取决于下面的关键命题
命题3.1 对任意给定的
其中
3.1 $ (\varepsilon p, \varepsilon u, \varepsilon w, \theta) $ 的$ {\mathcal H}^{s} $ 估计
引理3.1 当
证 方程
将式(3.6)两边乘以
将式(3.7)在
令
将式(3.9)两边乘以
利用柯西不等式, 我们得到
注意到
于是有
另一方面, 我们易知
将式(3.11)–(3.12) 和(3.14)–(3.16) 带入式(3.10), 并关于
由式(3.8) 和(3.17), 我们得到了式(3.5).
引理3.2 当
证 对满足
我们易知
对式(3.19)关于
其中
将式
利用式(3.2), 我们推得
类似的, 我们有
结合式(3.24), 我们得到
利用Sobolev不等式, 有
即
由式(3.22)–(3.23) 和(3.25)–(3.26), 我们得到
将式
这里我们使用了下面的两个估计
由式(3.2), 我们得到
于是有
另一方面, 我们有
结合式(3.28)–(3.29), 得到
将式
从式(3.2)知
于是有
类似于式(3.30), 我们得到
整合式(3.27), (3.30) 和(3.33), 我们得到了式(3.18).
接下来, 我们将推导
3.2 $ (\varepsilon p, \varepsilon u, \varepsilon w, \theta) $ 的$ {\mathcal H}^{s+1} $ 估计
引理3.3 当
证 令
当
将式(3.35)关于
其中
分别将式
这里我们用到了以下估计
从式(1.10)可以得到
于是
利用式(3.2)和(3.39), 我们得到
利用Hölder不等式, 可得
另一方面, 我们得到
结合式(3.40), 有
类似的, 我们得到
利用式(3.37)和(3.40)–(3.42), 我们得到了式(3.34).
3.3 $ (\varepsilon\partial_t p, \varepsilon\partial_t u, \varepsilon\partial_t w) $ 的$ {\mathcal H}^{s} $ 估计
在本小节, 我们估计
其中
引理3.4 令
于是, 对
其中
证 设
将式
将式
直接计算得
结合式(3.48), 我们得到了式(3.45).
接下来我们利用引理3.4去估计
引理3.5 令
其中
证 设
利用引理3.4, 得到
其中
接下来我们估计
其中
另一方面, 我们易知
结合式(3.52)–(3.54), 得到
对
于是得到
另外, 我们易知
结合式(3.57), 得到
类似的, 我们得到
从式
于是, 利用式(3.56)和(3.58)–(3.61), 我们得到
将式(3.62)带入式(3.51), 我们得到了式(3.49).
利用引理3.1, 引理3.3和引理3.5, 我们易知
推论3.1 对
和
3.4 $ ( p, u, w) $ 的$ {\mathcal H}^{s} $ 估计
在本小节, 我们将使用推论3.1估计
引理3.6 对
证 从式
对
和
类似的, 对
和
利用Sobolev不等式, 可得
和
对
和
结合式
利用式(1.10), (3.64), (3.67), (3.69), (3.71)和(3.73)–(3.74), 我们就得到了式(3.65).
引理3.7 对
证 首先, 从式(3.64)和(3.74)我们得到
结合式
另一方面, 从式
将式(3.78) 乘以
将式(3.79)关于
结合式(3.79), 有
由(3.79)和(3.81)式, 可得
类似可得
将式(3.82)和(3.83)相加就得到了式(3.65).
命题3.1的证明 利用引理3.1–3.3, 引理3.6和引理3.7, 我们立即就得到了命题3.1.
定理2.1的证明 利用命题3.1, 局部存在性定理和拔靴带方法, 我们就得到了定理2.1.
4 低马赫数极限
从定理2.1, 我们得到
因此, 在提取子序列后, 当
其中
从
结合Aubin-Lions引理易知, 当
其中
为了获得极限系统(1.11), 我们需要
从式(2.3)可知,
为了获得
命题4.1 令式(2.3) 和(4.6) 成立, 则对
引理4.1 令
其中
则序列
命题4.1的证明 将
其中
利用
因为
类似的, 我们得到
定理2.2的证明 如果命题4.1成立, 在方程(1.10)中对
其中
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