量子Navier-Stokes方程弱解的全局存在性
Global Existence of Weak Solutions to the Quantum Navier-Stokes Equations
收稿日期: 2020-12-18
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Received: 2020-12-18
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作者简介 About authors
唐童,E-mail:
牛聪,E-mail:
In this paper, we proved the global existence of weak solutions to the quantum Navier-Stokes equations with non-monotone pressure. Motivated by the work of Antonelli-Spirito(Arch Ration Mech Anal, 2017, 255: 1161–1199) and Ducomet-Nečasová-Vasseur (Z Angew Math Phys, 2010, 61: 479–491), we construct the suitable approximate system and obtain the corresponding compactness by B-D entropy estimate and Mellet-Vasseur inequality.
Keywords:
本文引用格式
唐童, 牛聪.
Tang Tong, Niu Cong.
1 引言
本文主要研究有界区域上的量子Navier-Stokes(QNS)方程有限能量弱解的全局存在性, 该系统也称为Navier-Stokes-Korteweg(N-S-K)系统. 在区域
初值为
其中,
其中,
量子力学是当代科学研究中最重要的课题之一, 而量子流体建模是量子力学中最经典的模型. 众所周知, 量子修正项
在一维情况下, Jüngel在文献[21]中通过利用一个有效速度变换得到了带有量子修正项的正压可压缩Navier-Stokes方程的存在性. 在文献[17]中, Gisclon和Lacroix-Violet通过增加冷压力项证明了正压量子Navier-Stokes方程弱解的全局存在性. Germain和LeFloch在文献[18]中结合有效能量估计、一个新的非线性Sobolev不等式以及一些紧性, 证明了Euler系统有限能量弱解的存在性和熵解的收敛性. 对于多维的情况, 在文献[7]中, 边东芬, 姚磊和朱长江得到了初值问题光滑解的消失毛细血管极限. 汪文军和姚磊在文献[36]中基于能量方法证明了Korteweg型可压缩流体模型在时间上存在全局解. Jüngel在文献[22]中通过选择
弱解存在性的证明往往通过下列步骤获得: 首先, 构造逼近解系统(通常是用Galerkin方法或有限差分方法得到), 然后通过紧性分析取极限. 此外, 对于具有退化粘性的动力学, 郭真华, 酒全森和辛周平在文献[19]中证明了在大初值和球对称条件下粘性系数依赖于密度的可压缩Navier-Stokes方程弱解的整体存在性. 同时, 在文献[26]中李海梁, 李竞和辛周平得到了上述系统在有界空间区域或周期区域上的初边值问题. 最近, Vasseur和Yu在文献[34]中证明了N-S-K方程弱解的全局存在性, 之后他们利用这个结果在文献[35]中得到了带有退化粘性极限和阻尼项的3维可压缩Navier-Stokes方程弱解的全局存在性. 与经典的Navier-Stokes系统相比, Navier-Stokes-Korteweg系统逼近解的构造是一个复杂而棘手的问题. 一方面, 本文研究的粘性系数依赖于密度, 而依赖于密度的粘性系数可能产生真空, 更多的细节详见文献[13, 24, 28, 31]. 另一方面, 由于动量方程中存在三阶非线性色散项, 要得到Mellet-Vasseur估计和紧性是一个艰难的过程. 为了克服这些困难, Antonelli和Spirito在文献[4]中运用一些技巧构造了逼近解系统, 并通过限制
上述结果研究的压力都是单调函数. 然而, 越来越多的科学实验表明, 当压力为非单调函数时更有意义, 参见文献[10, 12, 13, 15, 16]. Feireisl在文献[15, 16]中分别证明了可压缩Navier-Stokes方程在压力为非单调函数的情况下有界解的紧性和弱-强唯一性. Ducomet, Nečasová和Vasseur在文献[12]中研究了当
本文的主要结构如下: 第1节, 我们简要阐述了量子Navier-Stokes方程的物理背景以及相关问题的国内外研究现状; 第2节, 我们陈述了本论文的主要研究成果, 即定理2.1, 并给出了量子Navier-Stokes方程弱解的定义; 第3节, 我们构造了逼近解系统; 第4节, 我们得到了一系列估计, 即能量估计, B-D熵估计和Mellt-Vasseur不等式; 第5节, 我们获得了一些紧性并证明了定理2.1.
2 弱解的定义及主要结论
本节分为两部分, 首先我们给出了弱解的定义. 在第二部分我们分别在2维和3维情况下陈述了主要结果.
下面我们介绍弱解的定义. 基于Feireisl, Lions等学者关于Navier-Stokes方程弱解的工作, 我们给出了量子Navier-Stokes方程(1.1)–(1.2)弱解的定义.
定义2.1 设
●
●
● 对任意试验函数
其中
● 如果
则我们称
在陈述主要结果之前我们需要对初值做一些假设. 令
其中
在2维和3维情况下, 我们有如下结果
定理2.1 令
(1) 在2维情况下, 对任意的
(2) 在2维情况下, 对任意的
注2.1 这里我们要特别指出的是为了获得逼近解系统解的全局正则性, 我们需要证明
3 逼近解系统
本节致力于构建逼近解系统. 受到文献[4]工作的启发, 我们采用了相同的方法和框架. 为了方便读者, 我们只阐述重要步骤.
首先, 我们构造了含有冷压力项和阻尼项的如下逼近解系统
初值为
逼近解系统(3.1)中
其中
因此, 由
令
特别地, 由
其中
为了获得在Navier-Stokes方程中起至关重要的B-D熵估计和其他估计, 我们引入有效速度变换
注3.1 由文献[4]的引理2知: 如果
4 先验估计
在本章, 我们将推导出一系列的先验估计, 即能量估计, B-D熵估计和Mellt-Vasseur不等式, 目的是获得弱解的紧性.
首先, 我们得到经典的能量估计.
引理4.1 令
其中
证 首先, 在方程(3.1)的动量方程两边同乘
下面我们只考虑压力项, 其他项的处理参见文献[4].
其中
将所有的估计带入到(4.2)式中, 我们就得到了能量估计(4.1).
注4.1 根据(1.3)式可知
故由
更多细节可参见文献[12]. 再者, 由于
其中
下面的引理我们证明了方程(3.14)的能量估计.
引理4.2 令
其中
证 因为
首先, 我们考虑压力项
由(1.3)式可知
根据(4.6)式, 我们有
将(4.4), (4.10)–(4.11)式带入(4.9)式, 得到
将(4.12)式带入(4.8)式, 我们有
在系统(3.14)的第一个方程两边同乘
下面我们逐一计算每一项.
(4.14)式左边第一项为
计算第二项, 利用Young不等式和Hölder不等式得到
利用(3.13)式, 得到最后一项
将(4.15)–(4.17)式带入(4.14)式, 得到
结合(4.13)和(4.18)式, 得到(4.7)式. 引理4.2得证.
接下来我们的目标是证明以下辅助引理, 它在获取(3.14)的Mellet-Vasseur不等式中起关键作用.
引理4.3 令
证 证明见文献[4].
有了上述结果, 我们就可以证明Mellet-Vasseur不等式.
引理4.4 令
证 在上述引理4.3中, 令
下面考虑不等式右边的第一项, 其他项的处理见文献[4].
由Hölder不等式可以得到
最后, 通过使用(4.22)和(4.23)式, 我们从(4.21)式得到(4.20)式. 引理4.4得证.
5 一致有界和紧性分析
在前一章能量估计的基础之上, 本章节, 我们将推导出主要的一致有界和紧性分析.
考虑引理4.1和(4.6)式, 我们首先得到
特别地, 利用(3.7)和(5.1)式, 我们可以推断出
通过引理4.2, 我们可以得到
结合上述我们得到的(5.1)和(5.3)式, 有
再次利用(3.7)和(5.3)式, 可以得到
为了处理色散项, 我们还需要下列一致有界
注5.1 上述我们得到的一致有界中
在继续进一步的分析之前, 我们需要推导出主要的收敛性, 这将有助于我们证明我们的结论.
引理5.1 令
证 具体步骤详见文献[4].
现在我们可以证明压力的收敛性了.
引理5.2 令
特别地, 在
证 第一步: 证明
不等式(5.5)意味着
当
当
第二步: 证明压力的强收敛.
由引理5.1可知
对于动量的收敛, 我们有如下引理.
引理5.3 令
证 证明步骤直接参照文献[4].
引理5.4 令
证 与文献[4]证明类似, 我们只关注不同的部分.
首先考虑Mellet-Vasseur不等式(4.20), 令
然后, 利用引理5.2, 当
其余部分的证明见文献[4].
由上面得到的一致有界和紧性分析的结果, 利用引理4.3, 可以充分得到逼近解系统(3.1)的下界和上界, 与文献[4]的引理11和引理12相同.然后利用拟线性抛物型方程的经典方法, 得到逼近系统(3.1)光滑解的存在性.结合逼近解系统光滑解的存在性和紧性, 定理2.1得证.
参考文献
On the finite energy weak solutions to a system in quantum fluid dynamics
,DOI:10.1007/s00220-008-0632-0 [本文引用: 2]
The quantum hydrodynamics system in two space dimensions
,
Genuine hydrodynamic analysis to the 1-D QHD system: existence, dispersion and stability
,DOI:10.1007/s00220-021-03998-z [本文引用: 1]
Global existence of finite energy weak solutions of quantum Navier-Stokes equations
,DOI:10.1007/s00205-017-1124-1 [本文引用: 18]
On the compactness of finite energy weak solutions to the quantum Navier-Stokes equations
,DOI:10.1142/S0219891618500054 [本文引用: 1]
On the compactness of weak solutions to the Navier-Stokes-Korteweg equations for capillary fluids
,DOI:10.1016/j.na.2019.03.020 [本文引用: 1]
Vanishing capillarity limit of the compressible fluid models of Korteweg type to the Navier-Stokes equations
,DOI:10.1137/130942231 [本文引用: 1]
On some compressible fluid models: Korteweg, lubrication, and shallow water systems
,DOI:10.1081/PDE-120020499 [本文引用: 1]
On the existence of global weak solutions to the Navier-Stokes equations for viscous compressible and heat conducting fluids
,DOI:10.1016/j.matpur.2006.11.001 [本文引用: 1]
Global existence of weak solutions for compressible Navier-Stokes equations: thermodynamically unstable pressure and anisotropic viscous stress tensor
,
Derivation of viscous correction terms for the isothermal quantum Euler model
,DOI:10.1002/zamm.200900297 [本文引用: 1]
On global motions of a compressible barotropic and selfgravitating gas with density-dependent viscosities
,DOI:10.1007/s00033-009-0035-x [本文引用: 4]
On spherically symmetric motions of a viscous compressible barotropic and selfgravitating gas
,DOI:10.1007/s00021-009-0010-5 [本文引用: 4]
Well/ill posedness for the Euler-Korteweg-Poisson system and related problems
,DOI:10.1080/03605302.2014.972517 [本文引用: 2]
Compressible Navier-Stokes equations with a non-monotone pressure law
,DOI:10.1006/jdeq.2001.4137 [本文引用: 2]
On weak-strong uniqueness for the compressible Navier-Stokes system with non-monotone pressure law
,DOI:10.1080/03605302.2018.1543319 [本文引用: 2]
About the barotropic compressible quantum Navier-Stokes equations
,DOI:10.1016/j.na.2015.07.006 [本文引用: 1]
Finite energy method for compressible fluids: the Navier-Stokes-Korteweg model
,DOI:10.1002/cpa.21622 [本文引用: 1]
Spherically symmetric isentropic compressible flows with density-dependent viscosity coefficients
,DOI:10.1137/070680333 [本文引用: 1]
Global strong solution for the Korteweg system with quantum pressure in dimension N ≥ 2
,DOI:10.1007/s00208-016-1391-4 [本文引用: 1]
Effective velocity in compressible Navier-Stokes equations with third-order derivatives
,DOI:10.1016/j.na.2011.01.002 [本文引用: 1]
Global weak solutions to compressible Navier-Stokes equations for quantum fluids
,DOI:10.1137/090776068 [本文引用: 1]
Quantum Euler-Poisson systems: global existence and exponential decay
,DOI:10.1090/qam/2086047 [本文引用: 2]
Strong solutions for a compressible fluid model of Korteweg type
,DOI:10.1016/j.anihpc.2007.03.005 [本文引用: 1]
Vanishing of vacuum states and blow-up phenomena of the compressible Navier-Stokes equations
,DOI:10.1007/s00220-008-0495-4 [本文引用: 1]
Existence and asymptotic behavior of multi-dimensional quantum hydrodynamic model for semiconductors
,DOI:10.1007/s00220-003-1001-7 [本文引用: 2]
Vacuum states for compressible flow
,DOI:10.3934/dcds.1998.4.1 [本文引用: 1]
On the barotropic compressible Navier-Stokes equations
,DOI:10.1080/03605300600857079 [本文引用: 1]
Asymptotic behavior of Navier-Stokes-Korteweg with friction in R3
,DOI:10.3934/dcds.2014.34.2243 [本文引用: 1]
A remark on the global existence of weak solutions to the compressible quantum Navier-Stokes equations
,DOI:10.1016/j.nonrwa.2018.07.009 [本文引用: 2]
Existence of global weak solutions for 3D degenerate compressible Navier-Stokes equations
,DOI:10.1007/s00222-016-0666-4 [本文引用: 1]
Global weak solutions to the compressible quantum Navier-Stokes equations with damping
,DOI:10.1137/15M1013730 [本文引用: 1]
Vanishing viscosity limit to rarefaction waves for the full compressible fluid models of Korteweg type
,DOI:10.3934/cpaa.2014.13.2331 [本文引用: 1]
Decay estimates of the non-isentropic compressible fluid models of Korteweg type in R3
,DOI:10.4310/CMS.2014.v12.n8.a4 [本文引用: 1]
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