部分耗散的三维Boussinesq方程在静力平衡附近的稳定性和指数衰减
Stability and Exponential Decay of the 3D Boussinesq Equations with Partial Dissipation
收稿日期: 2022-06-29 修回日期: 2023-02-6
基金资助: |
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Received: 2022-06-29 Revised: 2023-02-6
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作者简介 About authors
黎小丽,E-mail:
陈晓莉,E-mail:
该文研究了速度具有水平部分耗散而温度具有垂直耗散的三维Boussinesq方程在静力平衡附近的稳定性及大时间行为问题.在
关键词:
This paper is devoted to solving the stability and large time behavior problem on three dimensional Boussinesq equations with anisotropic dissipation and vertical thermal diffusion near the hydrostatic equilibrium. The stability of the solution with certain symmetries to the Boussinesq euations is established on the spatial domain
Keywords:
本文引用格式
黎小丽, 陈晓莉.
Li Xiaoli, Chen Xiaoli.
1 引言
该文研究如下三维Boussinesq方程
其中
是方程(1.1)的稳定解, 人们通常称这样的稳定解为静力平衡. 令
则方程(1.1)变为
鉴于Boussinesq方程在数学和物理中具有重要的意义, 其解的稳定性和大时间行为问题引起了人们的广泛关注, 并得到了很多不错的结论 (见文献[1,4-5,7,11] 等). Doering, Wu, Zhao和Zheng[5]在有界域上研究了速度全耗散, 温度没有耗散的二维Boussinesq方程的稳定性问题. 之后, Tao, Wu, Zhao和Zheng[11]建立了文献[5] 中稳定解的精确大时间行为. Castro, Cordoba和Lear[3] 考虑了二维Boussinesq方程在速度带阻尼项时的稳定性问题并得到了其在带状区域上的渐近稳定性. 最近, Wu和Zhang[12] 在
本文的主要结论如下.
其中
则(1.2)式存在唯一的整体解
接下来考虑方程(1.2)解的大时间行为. 但若想要得到
并得到以下结论.
其中
则方程(1.7)存在唯一整体解
(i) 对任意的
(ii)若
其中
本文的其他部分安排如下: 第2节包含重要的引理和一些符号. 第3节利用靴代理论证明定理1.1. 定理1.2的证明在第4节.
2 关键的引理和符号
回顾平均部分
接下来给出在证明过程中需要用到的关键引理.
(1) 若定义在
值得注意的是, 由于
(2) 若
其中
(3) 若
(4) 若
若
3 定理1.1的证明
利用文献[12]中的方法可以得到(1.2)式解的
利用唯一性可证得解有和初值相应的对称性[12].
进而可得以下先验界估计.
因此
下面将证明命题3.2的过程分为两步.
第一步
在
第二步 (u,\theta)的\dot{H}^2 -能量估计.
对
为了估计
利用
其中用到了
利用Hölder不等式, Sobolev不等式, 引理2.1(1)-(4), 引理2.3以及(3.7)式得
因此有
同理, 将
由
利用(3.3)式, Hölder不等式, Sobolev不等式, 引理2.1(1)-(4), 引理2.3和
所以有
类似于
利用Hölder不等式, Sobolev不等式,
最后一个不等式用到了
故
结合(3.8), (3.9)和(3.10)式得
将(3.4)和(3.11)式相加后两边关于时间积分可得(3.2)式. 即完成命题3.2的证明.
最后给出定理1.1的证明.
4 定理1.2的证明
本节将给出定理1.2的证明. 首先建立(1.7)式解的
下面给出方程(1.7)解的
第一步
利用
第二步
利用
由Hölder不等式和Sobolev不等式可知
类似地有
和
根据Hölder不等式, Sobolev不等式以及
因此
利用
利用
类似地
由Hölder不等式和Sobolev不等式可知
以及
故
类似于
由
和
利用Hölder不等式和 Sobolev不等式可得
和
所以有
结合(4.1), (4.3), (4.4), (4.5), (4.6)和(4.7)式可完成命题4.1的证明.
下面给出定理1.2的证明.
对于方程组(1.7)的解
而(1.7)与(4.8)式作差可得
为了得到
由
类似地有
这意味着
利用
由引理2.1(2)中的Poincaré不等式可知
而定理1.2(i)给出, 若对足够小的
故有
由
类似地有
利用Hölder不等式, Sobolev不等式, 引理2.1(2)和引理2.3得
同理
采取估计
根据
综合
即
利用Poincaré不等式以及(4.16)式得
结合(4.16), (4.19)式和Gronwall不等式可得(1.12)式. 即完成了定理1.2的证明.
参考文献
The stabilizing effect of the temperature on buoyancy driven fluids
Global regularity for the 2D MHD equations with mixed partial dissipation and magnetic diffusion Adv
On the asymptotic stability of stratified solutions for the 2D Boussinesq equations with a velocity damping term
Stability of Couette flow for 2D Boussinesq system with vertical dissipation
DOI:10.1016/j.jfa.2021.109255 URL [本文引用: 1]
Long time behavior of the two-dimensional Boussinesq equations without buoyancy diffusion
DOI:10.1016/j.physd.2017.12.013 URL [本文引用: 3]
Stability and exponential decay for the 2D anisotropic Boussinesq equations with horizontal dissipation
DOI:10.1007/s00526-021-01976-w [本文引用: 1]
Stability and large-time behavior of the 2D Boussinesq equations with partial dissipation
DOI:10.1016/j.jde.2020.09.022 URL [本文引用: 1]
Introduction to PDEs and Waves for the Atmosphere and Ocean
The 2D Boussinesq equations with vertical dissipation and linear stability of shear flows
DOI:10.1016/j.jde.2019.02.020 URL
Stability near hydrostatic equilibrium to the 2D Boussinesq equations without thermal diffusion
DOI:10.1007/s00205-020-01515-5 [本文引用: 3]
Stability and optimal decay for a system of 3D anisotropic Boussinesq equations
DOI:10.1088/1361-6544/ac08e9
[本文引用: 13]
This paper focuses on a system of three-dimensional (3D) Boussinesq equations modeling anisotropic buoyancy-driven fluids. The goal here is to solve the stability and large-time behavior problem on perturbations near the hydrostatic balance, a prominent equilibrium in fluid dynamics, atmospherics and astrophysics. Due to the lack of the vertical kinematic dissipation and the horizontal thermal diffusion, this stability problem is difficult. When the spatial domain is \n \n \n Ω\n =\n \n \n R\n \n \n 2\n \n \n ×\n T\n \n \n with \n \n \n T\n =\n \n [\n \n −\n 1\n /\n 2\n,\n 1\n /\n 2\n \n ]\n \n \n \n being a 1D periodic box, this paper establishes the desired stability for fluids with certain symmetries. The approach here is to distinguish the vertical averages of the velocity and temperature from their corresponding oscillation parts. In addition, the oscillation parts are shown to decay exponentially to zero in time.
On enhanced dissipation for the Boussinesq equations
DOI:10.1016/j.jde.2021.02.029 URL
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