一类流体动力学方程组的渐近极限问题

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本文主要通过摄动理论的带小参数的渐近展开方法,结合古典能量方法,研究了Rayleigh-Bénard对流模型及其极限形式无穷Prandtl数模型之间的关系.由两个平行平面限制,从下部加热的Rayleigh-Bénard对流模型可以用Boussinesq方程组来比较精确地描述. Boussinesq方程组由一个关于流体速度场的不可压Navier-Stokes方程加与温度成比例的浮力项,一个水平对流扩散方程,以及边界条件和初始条件组成.无量纲化后可以将Boussinesq方程组看作是含小参数ε的非线性微分方程组.在无穷Prandtl数极限模型中,只需给定温度场的初值,而在Boussinesq方程组中,速度场和温度场的初值必须都得给定.且一般来说,当小参数ε→0时,后者的速度场初值不趋向于前者的速度场初值.因此,这是一个含有初始层的奇异极限问题.王晓明通过有效动力系统对这个问题进行了比较详细的研究,得到了Ο(ε)的收敛速度.本文在此基础上通过摄动理论的渐近展开方法,结合古典能量方法得到了更进一步的结果.通过将近似解分解为外函数(t >0)和初始层函数( t =0附近),证明了渐近解的收敛性,并得到了收敛速度Ο(ε3/2)和最佳收敛速度Ο(ε2).另外,当Boussinesq方程组取特殊初值,使得当ε→0时,它的初值正好趋向于极限模型的初值,这时初始层消失.并通过渐近展开方法,古典能量方法,嵌入定理等证明了此时的N阶近似解在Hs范数意义下也是收敛的,且有收敛速度Ο(εN+1).
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