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本文将讨论一类流体方程
d/dtui--(a)jΓij(Du)+u·▽ui+(a)iP=fi,(i=1,2,...,n);divu=0,(x,t)∈DT=Ω×[0,T];(E)Γij(Du)=(μ0+μ1(|Du|p-2)Diju,其中Ω(∪)Rn,u=(u1,u2,...,un):DT→Rn,f=(f1,f2,...,fn):DT→Rn,P:DT→R1,(a)j=(a)/(a)xj,u·▽ui=∑uj(a)jui,Diju=1/2((a)jui+(a)iuj),p>1,|Du|=j=1(Diju,Diju)1/2。
若μ0>0和μ1=0,(E)通常称为Navier-Stokes方程或称为牛顿流体方程。该方程是C.L.M.H.Navier和G.H.Stokes分别于1822年及1845年独立提出的。
若μ0>0及μ1>0,(E)通常称为非牛顿流体方程。该问题是O.A.Ladyzhenskaya于1969年提出的。
牛顿流体方程和非牛顿流体方程统称为流体方程。
流体方程描述了流体在特定条件下的运动规律,其研究成果不仅有数学上的意义,还对流体力学的研究起着重要影响。因此,该类问题的研究一直是当代数学物理研究的核心之一。
本文将研究非牛顿流体方程(E)(μ1>0)Cauchy问题解的存在性和正则性、解的衰减估计、解的近似结构的构造。
在解的存在性方面,本文将文献[42]-[49]的研究区域从有界区域和整个空间拓展到外区域,并证明外区域和有界区域上非牛顿流体方程(E)(μ1>0)Cauchy问题存在Young测度值解和正则弱解,改进文献[43]-[45]的结论。
在解的正则性方面。一些文献例如[7]-[11]、[54]通过要求初始值、外力很小,或对应的Stokes第一特征值很大,或对区域进行限制来提高非牛顿流体方程解的正则性。而本文是在非牛顿流体方程(E)左边加上一个项|u|rui(改变方程)来实现这一目标。
在解的衰减估计方面。本文将改进[45]和[58]的结论,证明当Ω有界且f=0,非牛顿流体方程(E)(μ1>0,μ0>0)Cauchy问题正则弱解的衰减速度是e-Λt型的,而且当t→∞时,能量的涡度拟能‖u‖2/|u|2的极限是Stokes算子的一个特征值。
本文还将衰减估计讨论区域从文献[55]-[59]的整个空间推广到无界区域(整个空间和外区域),证明无界区域上非牛顿流体方程(E)(μ1>0,μ0>0)Cauchy问题正则弱解的L2模小于C(t+1)-α(C>0和α>0为常数)。
在近似结构的构造方面。为了使近似解计算更加方便,研究解的性质时能使用更多手段,文献[62]给出了三维空间和三维有界区域上非牛顿流体方程(E)Cauchy问题广义意义下成立的近似结构。本文将这一问题研究的区域拓展到三维空间外区域,使用Faedo-Galerkin方法给出该类近似结构,本文还将讨论对时间离散的类似近似结构的存在性。