趋化—流体方程初边值问题解性质的理论研究

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细菌的趋化性自1881年被Engelmann首次观察到以来就引起了许多研究者的兴趣。为了从数学上描述细菌趋化性导致细菌种群聚集现象,Keller和Segel在1970年提出了著名的Keller-Segel模型,它是由两个抛物型偏微分方程耦合而成。自此,描述细菌趋化现象的偏微分方程就受到生物学家和数学家的广泛关注。考虑到细菌或微生物通常生活在粘性流体中,Tuval等人在2005年进一步提出了具有化学信号消耗机制的趋化-流体耦合模型。本文主要研究趋化-流体耦合模型初边值问题解的存在性、有界性、大时间行为和收敛性。具体研究内容如下:1.在二维有界凸区域上,研究具有次临界敏感度的Keller-Segel-Navier-Stokes方程组在无通量-无通量-无滑移边界条件下经典解的小对流极限。证明了当对流强度系数k→0+时,该Keller-Segel-Navier-Stokes方程组初边值问题的经典解将收敛到相应的Keller-Segel-Stokes方程组初边值问题的经典解。在小初值情形,该收敛关于时间具有一致衰减估计。2.在二维有界域上,研究具有多孔介质扩散Δnm(m>1)的趋化-Navier-Stokes方程组在无通量-非齐次Robin-无滑移边界条件下弱解的整体存在性和有界性。证明的主要方法是利用Lions-Magenes型的边界变换将信号浓度的非齐次Robin边界条件转化为齐次Neumann边界条件,再借助于能量估计技巧。进一步,对于无氧气从流体-空气交界面流入流体的情形,证明了当t→∞时,该整体弱解将稳定到常值平衡态。3.在N维(N=2,3)有界域上研究具有多孔介质扩散Δnm(m>3N-2/2N)的趋化-Stokes方程组在无通量-非齐次Dirichlet-无滑移边界条件下弱解的整体存在性与有界性。证明的主要方法是利用bootstrap原理和齐次Dirichlet热半群的衰减估计建立逼近解的一系列一致先验估计。
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