黃志圣,葉 霞,詹華稅
(集美大學(xué)理學(xué)院,福建 廈門 361021)
考慮如下對稱定常微流邊界層方程
盡管本文的方法是類似于Oleinik的方法,然而,v(y)是y的函數(shù),這使得相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和計算變得更加復(fù)雜,一些限制條件作用在v(y)上使其仍然能夠應(yīng)用Oleinik的線性化方法.此外,如果允許v(y)或其導(dǎo)數(shù)是一個無界函數(shù),則不能應(yīng)用Oleinik的線性化方法,在這種情況下,得到同樣的結(jié)果看起來非常困難.近年來關(guān)于定常Prandtl系統(tǒng)全局解的存在性方面重要的研究進展可參考文獻 [5-8],其他相關(guān)工作,可以參考文獻 [9].
本文的目的是研究系統(tǒng) (1)— (2)解的適定性問題.為此引入Crocco變換ξ=x,η=u(x,y)/U(x),w(ξ,η)=uy(t,y)/U(x).經(jīng)過簡單的計算,可得如下w(ξ,η)的方程和邊界條件:
與文獻 [1]相比,方程 (3)增加了非線性項2vηw2wη+vηηw3,邊界條件 (4)增加了非線性項vηw2.在本文的討論中,要利用Oleinik線性化的方法,討論問題 (1)— (2)解的適定性問題.為此,必須增加以下限制性條件:是有界的,vη≤0,vηη=0.則方程 (3)變?yōu)?
定義1稱函數(shù)u(x),v(x)為問題(1)的解,如果u在內(nèi)連續(xù),v在D內(nèi)連續(xù)并且在ˉD內(nèi)關(guān)于y連續(xù),u,v的導(dǎo)數(shù)在D內(nèi)連續(xù);方程 (1)對u,v在D內(nèi)成立,并滿足條件 (2).
定義2稱函數(shù)w(ξ,η)為問題(4)—(5)的解,如果:w(ξ,η)在內(nèi)連續(xù),并且在Ω內(nèi)有連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)wξ,wη,wηη,其中wηη關(guān)于η在η=0處連續(xù);方程 (5)對w(ξ,η)在Ω內(nèi)成立,并且滿足條件 (4).
對任意的函數(shù) f(η,ξ),引進如下的記號 fk=fk(η)=f(kh,η),h 〉 0 且為常數(shù),k=0,1,2,…,[X/h].代替方程 (5)和邊界條件 (4),將考察下面的常微分方程組:
其中,當k=0時,μk=0;當k≥0時,μk是足夠大的常數(shù),并且U(x)、r(x)是二階連續(xù)導(dǎo)數(shù),v0x(x)有界.在以下的論述中,約定Mi,μ,δ為不依賴于h的正常數(shù).
引理1 設(shè)wk(η)是常微分方程組 (6)的解,當0≤η≤1時,wk(η)是連續(xù)的;當0≤η〈1時,wk(η)是無窮可微的,vη≤0.wk(η)滿足下面的估計:
這里,kh≤X,h≤h0,h〉0為常數(shù).
證明 通過構(gòu)造如下的系統(tǒng) (8)的解,取ε→0的極限來獲得方程組 (6)的解.
假設(shè)方程組 (8)有一個解是wk.滿足當η=0時,wk為正.令Vk=M3(1-η)e-αkh,α〉0為常數(shù),發(fā)現(xiàn),因為Ukx〉0,0〈h'〈h,并且所以,當η〈1足夠大,M3足夠小時,由假設(shè) vη≤0,有:如果M3足夠小,vη≤0,則令yk=Vk-wk,有:當η〈1時,Lε,k(V)-Lε,k(w)〉 0;當 η =0 時,λε,k(V)- λε,k(w)〉 0 .
由以上不等式可以推出 yk≤0.事實上,考慮 Sk=yke-βkh.當 η〈1,?h″,0〈h″〈h時,由Lε,k(V)-Lε,k(w)〉 0 ,λε,k(V)- λε,k(w)〉 0 ,有
因為Ux〉0,當η=0時,wk,Vk為正的.由最大值原理,從式 (9)可得Sk≤0.具體來說,Sk在[0,1]的內(nèi)部取不到正的最大,因為當β〉0足夠大、h足夠小和M3足夠小時,有:這和式 (9)矛盾.在η=0這點,因為Skη(0)≤0和式 (10)相互矛盾,所以Sk也不可能有正極大值.因此,有Sk≤0,yk=Vk-wk≤0.由此可得,當 kh≤X時,有wk(η)≥ M3(1- η)e-αkh.
選擇任意一個正常數(shù) M4,有下列不等式成立:2/M4.假設(shè)ψ(w)是(-∞,+∞)上的充分光滑函數(shù),使其滿足當w≥M4時,ψ(w)=w;當w≤M4/4時,ψ(w)=M4/2;當M4/4≤w≤M4時,0≤ψ'(w)≤1.
考慮由方程組 (8)及以下的邊界條件 (11)組成的系統(tǒng)
當ε〉0時,方程 (8)和條件 (11)解的存在性的證明由Leray-Schander定理的證明方法給出.
Leray-Schauder定理 在Banach空間X中,考慮一族映射y=T(x,k),這里x,y∈X;k是實參數(shù),a≤k≤b.設(shè):1)T(x,k)定義在x∈X,a≤k≤b;2)對任意固定的k,T(x,k)在X上連續(xù),即?ε〉0,x0∈X,?δ〉0,如果在X上的有界子集關(guān)于k一致連續(xù),即?ε〉0和任意有界集合X0?X,?δ〉0,當時,有是緊集;5)對x-T(x,k)=0的任意解x,有在X內(nèi)有唯一解.
現(xiàn)在,做方程 (6)解的存在性證明.考慮下面含參量γ的微分方程系統(tǒng):
邊界條件
當γ=0時,問題 (12)— (13)為線性的;當γ=1時,則該問題轉(zhuǎn)化為方程 (8)和邊界條件(11)的問題.
對于這個系統(tǒng),證明Leray-Schauder定理.考慮T(θ,γ)=w,它把C2([0,1])中的任意矢量函數(shù)θ映射到w≡(w1,…,wm),m=[X/m],其中w是下面的線性微分方程系統(tǒng)的解:
邊界條件
當γ=0時,問題 (14)— (15)有唯一的解.因為該問題是線性的,當h足夠小時,在問題(14)中wk的系數(shù)是非正的,并且φ(x)≤0,Ukx〉0.
非線性問題 (12)— (13)的解wk關(guān)于γ一致有界,并且它的二階導(dǎo)數(shù)也是一致有界的.首先,對wk做下界的估計.令 V0=M5(1-η)e-αkh.當 M5足夠小時,可得因為M5與γ,h,ε無關(guān).當0〈η≤1時,V0代入式 (14),則式 (14)的等式左邊大于零.因此,對于yk=Vk0-wk,可得,當γ,kh≤X,0≤η≤1,0〈ε≤1時,有yk≤0,wk≥Vk0.
下面對問題(12)—(13)的解wk做上界的估計.為此把它轉(zhuǎn)化為另一個未知函數(shù)的形式wk=(M6-eβη)eκkhˉwk,其中κ,β是正常數(shù).選擇適當大的M6,β,κ,可以得到以下的方程其中〉0,以及邊界條件
由式 (12)中關(guān)于wkη的一階方程和邊界條件 (13)中在η=0點wkη的估計得到wkη關(guān)于γ的一致估計.由相同的方法,可以得出問題 (14)— (15)的解wk(η)和它到三階導(dǎo)數(shù)關(guān)于γ的一致估計.在這些估計中的常數(shù)依賴于算子 T(θ,η)是 由在 C2([0,1])中函數(shù)θ的有界集映射到w的緊集.因此,在C2([0,1])中關(guān)于方程 (8)— (11)的問題在ε〉0時解的存在性,即Leray-Schauder定理的結(jié)論.
前面已經(jīng)證明了問題 (8)的解wk(η)的下界關(guān)于 ε,h的一致估計,即,wk(η)≥ M3(1-η)e-αkh.下面,證明其解的上界的一致估計,即其中,M8,μ是正常數(shù)且與ε,h無關(guān).取μ〈1并且當0≤η〈1時,σ〉1.當0≤η≤1,M8足夠大時,可以得到Lε,k(V1)〈0.
另外,對于μ〈e-1/2,如果M8足夠大,υη≤0,則可以得到λε,k(V1)〈0.由上面的不等式可以得到 Lε,k(V1)-Lε,k(w)〈 0 ,λε,k(V1)- λε,k(w)〈 0 .當0 〈 η 〈1,0≤kh≤X 時,設(shè) Sk=Vk1-wk滿足不等式:因為,當η 〈1時,所以當0〈η〈1,kh≤X,h足夠小時,由以上的不等式容易推出Sk≥0,Vk1≥wk.
當η=0時,由方程組 (8)結(jié)合wk兩邊的估計,可以得到在0≤η≤1-δ上,wkη,wkηη關(guān)于 ε 的一致估計成立.對方程 (8)關(guān)于η微分,可以證明wk的導(dǎo)數(shù)到給定的階數(shù)在0≤η≤1-δ上關(guān)于ε一致有界.因此,問題 (8)的一族解wk依賴于ε,0〈ε≤1,可以抽取一個序列wk,例如wk和它們?nèi)我饨o定階數(shù)的導(dǎo)數(shù),當ε→0時,其在0≤η≤1-δ上一致收斂.因為V≤wk≤V1,則這個有限函數(shù)在0≤η≤1-δ上連續(xù);當η〈1時,有限函數(shù)滿足方程組 (6);當η=1時,它不存在.顯然,有限函數(shù)wk對于式 (7)的估計式成立.存在性證畢.
對方程(8)—(11)系統(tǒng)的任意解?wk,下證?wk≥Vk.令?yk=Vk-?wk,選擇適當小的M3,有當η〈1時,有
為了得到wk(η)有更好的估計,下面證明引理2.
引理2 設(shè)wk(η)是問題 (6)的解,有下列的估計成立:當0≤η≤1,0≤kh≤X時,
當0≤η≤1時,
當1-δ≤η≤1時,
證明 首先,建立估計式 (18).令Φk=M12(1-η)σe-αkh,則當α〉0足夠大,M12足夠小和μ〈e-1/2,有其中另外,如果 M12足夠小,則當0≤η〈1,kh≤X時,設(shè) Sk=Φk-wk,因為 Lk(Φk)-Lk(wk)〉0,λk(Φk)-λk(wk)〉0,則有不等式:
當β〉0為常數(shù)并且其足夠大時,把式(21)、式(22)轉(zhuǎn)化為新函數(shù)由以上類似的證明可以看出,上面的不等式中不可能取正值.因此,Sk=Φk-wk≤0,式(18)估計成立.用相似的方法證明式 (19).令 φ =K0(1- η)σ ,則 L0(φ)= υK20(1- η)2σ2[-K0/(2σ(1- η))-K0/(4σ3(1- η))]-(1- η)(1+ η)Ux(0)K0(- σ +1/(2σ))+2υηK30(1- η)2σ2(- σ +1/(2σ)).因為υK20=4Ux(0),υη≤0,所以當0≤η〈1時,L0(φ)〈0.另外,如果σ(0)足夠大,即σ(0)〉M11,其中M11的取值只與問題 (4)— (5)的數(shù)值有關(guān),可得當0≤η〈1時,函數(shù)S=φ-w0滿足不等式因為φη〈0,φηη〈0和S(1)=0,υη≤0,所以S的系數(shù)不可能為正.可以推出當0≤η≤1時,S≥0.因此,不等式 (19)成立.
顯然,如果M10〉0且適當大,M10〈σ,而且1-M10/σ≥d〉0,則L0(Q)〉0.取δ〉0,有1-M10/(σ(1-δ))=d.則當1-δ≤η〈1時,1-M10/σ≥d,M10〈σ.由此可得,當1-δ≤η〈1時,L0(Q)〉0,并且根據(jù)式 (20)和所選擇的d,有并且Q(1)=w0(1)=0.對于S=Q-w0,當1-δ≤η〈1時,得 υ(w0)2Sηη+A0Sη+Qηηυ(w0+Q)S+2υη(w0)2Sη+2υηQη(w0+Q)S 〉 0 ,S(1- δ)≤0 ,S(1)=0.
因為Qηη〈0,當M10適當大時,Qη〉0.由這些不等式可以推出S≤0,Q≤w0.因此不等式 (20)成立.
引理3 當k=0時,設(shè)w0是問題 (6)的解,則它的導(dǎo)數(shù)w0η滿足估計:當0≤η〈1時,-M13σ≤w0η≤M14.
證明 由引理1和引理2,可以得到:
令Hk=wk-M2(1-η)σ≤0.當η≤1時,Hk≤0,Hk(1)=0;并且當η〈1時,Hk(η)是可微的.因此,當n→∞,ηkn→1時,Hkη(ηkn)≥0.由此可得
如果考慮 M9(1-η)σ -wk,當 n→∞,?ηkn→1時,有
當0≤η〈1時,函數(shù)z0≡w0η滿足方程
對w0η做下界的估計.令θ=-M20σ-M21,M20,M21=const〉0.然后,應(yīng)用式 (19),如果M21足夠大,當0≤η 〈1時,由假設(shè) υη≤0,有L0(θ)≥-(1-η)2(U2x+2υηK20)M20σ +M21[(1- η)(1+η)U0x-2υηK20(1-η)2]〉0.因此,當0≤η〈1時,有L0(θ-z0)〉0.如果M20〉M15,則在η=η0n上θ-z0〈0.因此容易得,當0≤η〈1時,有θ-z0〈0.則當0≤η〈1時,有w0η=z0≥θ=-M20σ-M21≥-M13σ .
證明 不等式 (27)— (28)用歸納法證明.當k=0時,式 (27)已經(jīng)在上面的引理中證明過.下面要證明如果kh≤X1,當k-1對于所選擇的常數(shù)M22、M23、M24成立時,則k也成立.令wkη=zk,h-1(wk-wk-1)=rk,做出zk,rk,k≥1的方程.對方程 (6)關(guān)于η求導(dǎo),得
在η=0對于方程 (6)的邊界條件,有
而后,把方程 (6)中wk減去wk-1的差除以h,得:)
類似地,從方程 (6)的邊界條件可以得到
考慮函數(shù)φk±rk=qk±,當0≤η〈1時,如果kh≤x1,有:
如果kh≤x2,還可以得到
因為在式 (34)中,當kh≤x1時,qk±的系數(shù)是非正的,由式 (34)— (35)可得,當0≤η≤1時,qk±≥0;并且kh≤min(x1,x2)=x3,則有
在式(28)中令M27等于M28.因為有歸納假設(shè)qk±-1≥0,所以式(34)成立.
下面對zk做估計.令F=-M29σ,計算Pk(F).由wk的估計式 (18)和式 (7),如果M29適當大,當 kh≤x3時,有:選擇的M29與k,h無關(guān),當η=ηkn時,F(xiàn)k-zk≤0;當η=0時,F(xiàn)k-zk≤0,其中ηkn對于不等式 (24)成立.
當0≤η〈1時,對于差分Fk-zk=Sk,有不等式
并且有:在式 (37)中Sk的系數(shù)等于Bk+Akη+2υηwkFkη+4υη(Fk+zk).顯然,如果M29足夠大,則其系數(shù)是負的.用上面的形式取M22等于M29,則Sk-1≤0.因為在式 (37)— (38)中Sk不可能取正值,所取Sk≤0.當kh≤x3時,有wkη=zk≥-M22σ,其中M22依賴于問題 (4)— (5)的數(shù)值.可以假設(shè)M22≥M13.
下面,對zk做上界的估計.令Ψ=-M30e-αη,如果kh≤x4≤x3,當M30足夠小,α足夠大時,不妨設(shè)x4足夠小,所以可以推出 Bkη=-Uk,設(shè) wk-rk〈0,由以上的假設(shè),有 Pk(Ψ)(α 〉0):如果 M30足夠小,kh≤x5,x5=const〉 0,可得當0≤η 〈1時,對于 Sk1=Ψk-zk,有不等式:
為了證明 Sk1≥0,做新函數(shù) Sk2=Sk1e-βkh,易得如果β〉0足夠大,則當M30足夠小時,S2k的系數(shù)在第一個不等式中是正的.因為如果設(shè)S02≥0,當0≤η≤1,kh≤x6時,其中x6=min(x4,x5),則S2k不可能取負值.因此,當kh≤x6時,有S2k≥0,zk≤-M30e-αη.
在η=1這點附近,可以做進一步的估計.令F1=-M31σ并且計算Pk(F1).如果kh≤x7,0〈1-η 〈δ1,M31和 δ1足夠小時,不妨設(shè) wk-rk〈0,有:Pk1(F)=- υ(wk)2M31[1/(2σ(1- η)2)-1/(4σ3(1- η)2)]+M31(1- η2)Ukx/(2σ(1- η))-BkM31σ +2υwkM231/(2(1- η))-2ηUxM31σ +Bkηwk-Ukrk- υη(wk)2M31/(σ(1- η))+4υηwkM231σ2≤M31[σ(- υM29/2-Bk+ υM2M31-2ηUxM31σ - υη(1-η)M29+4υηwkM31σ)+(υM29/(4σ)+(1+ η)Ukx/(2σ))]+Bkηwk-Ukrk〈 0 .其中為常數(shù).
考慮差分Sk=Fk1-zk.當1-δ1≤η〈1,kh≤x7時,函數(shù)Sk滿足不等式
如果M31適當小,由式 (25)和zk≤M30e-αη,當kh≤x6時,有
因此,選擇的M31只由問題 (4)— (5)的數(shù)值決定.令M23=min{M31,M30e-α(ln(μδ1))-1/2}.設(shè)M23〈M14,則Sk-1≥0.由式(39)、式(40)可得Sk≥0.當k≥1時,代入新函數(shù)ˉSk=Ske-βkh,可得:如果 β(h)〉 0 足夠大由此可得,當1-δ1≤η 〈1時,有
不等式 (29)由式 (27)、(28)得來.由方程 (6)可得 υwkwkηη=(ηUk+ μkh)rk/wk-Akzk/wk-Bk-2υηwkzk.因為Bk≤N3kh,當kh足夠小時,有:
證明 當kh〈ξ≤(k+1)時,把wk(η)=w(kh,η)當作問題 (6)的解,可以得到一族wh(ξ,η),wh(kh(1- λ)+(k+1)hλ,η)=wk(η)(1- λ)+wk+1(η)λ,0 ≤ λ ≤1,k=0,1,2,… .
根據(jù)引理1—引理4,wh(ξ,η)關(guān)于ξ滿足Lipschitz條件,并且當0〈ξ〈X,0〈η〈1-ε,0〈ε〈1時,wh(ξ,η)在η上關(guān)于h一階一致有界.由Arzela定理知,存在序列hi→0,使得子序列whi(ξ,η)在矩形區(qū)域上一致收斂于某一函數(shù)wh(ξ,η).因為M9(1-η)σ≤wh≤M2(1-η)σ,whi可以在Ω內(nèi)一致收斂到w.
由式 (27)—式 (28)可得w(ξ,η)存在有界的弱導(dǎo)數(shù) wξ,wη,wηη,并且 wwηη在 Ω 內(nèi)有界.不妨設(shè)序列whi(ξ,η)滿足在區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)在 L2(Ωε)的意義下收斂于 wξ,wη,wηη.
記wkh=wh(ξ,η)=w(kh,η).由式 (6)的方程可得:
假設(shè)φ(ξ,η)是光滑函數(shù),且使得suppφ??Ω.令φk(η)=φ(kh,η),在式 (41)兩邊同乘以hφk,將所得的方程關(guān)于η從0到1積分,同時對k從1到m(h)求和,有
記
為了證明式 (5)中w及其導(dǎo)數(shù)在Ω的子區(qū)域內(nèi)滿足H?lder條件,考慮下面的方程
下證邊界條件 (4)也是滿足的.由式 (4)的第一個條件知,wh是一致連續(xù)的,并且當η=1時,問題(6)的條件成立.令因為當η〈1-δ時,在h上一致有界,并且滿足式 (6)的第二個邊界條件,則:
當hi→0時,在L2(Ω)的意義下 zh?z=υwwη+υηw2-v0w+c.因此,由式 (47)可得即邊界條件 (4)也滿足.
定理2問題(4)—(5)存在唯一的解ω,有如下的性質(zhì):w在ˉΩ內(nèi)連續(xù),它的導(dǎo)數(shù)wξ,wη,wηη在Ω內(nèi)連續(xù);在Ω內(nèi)wηη≤0,w≥0;當η=0時w〉0;wη關(guān)于η在η=0處連續(xù).
證明 假設(shè)問題(4)—(5)在Ω內(nèi)的兩個解w1,w2有如上的性質(zhì).令則可以得到,如果α〉0且α足夠大,當η=0時,w1〉0,w2〉0.因此,當η≤1時,既沒有正的最大值也沒有負的最小值,即≡0,w1≡w2,唯一性得證.
定理1和定理2作為推論,在下面的證明中得到定常對稱微流邊界層系統(tǒng) (1)— (2)解的存在唯一性.
定理3問題(1)—(2)在D中的解滿足以下的性質(zhì):u/U,uy/U在中連續(xù)有界;當x〉0,y〉0時,u〉0;當y→∞時,u→U,u(x,0)=u(0,y)=0;當y≥0時,uy/U〉0;當y→∞時,uy/U→0,uyy,ux,uy關(guān)于y在中連續(xù)有界;v關(guān)于有界的y是有界的;υ(y)在D內(nèi)有直到三階的有界導(dǎo)數(shù);uyyy在ˉD中有界;uxy關(guān)于有界的y在D內(nèi)有界;uxy,uyyy在內(nèi)連續(xù);uyy/uy關(guān)于y在內(nèi)連續(xù).此外,
證明 如果w(ξ,η)是問題 (4)— (5)的解,并且有定理1中的性質(zhì),可以利用Crocco變換,把問題 (4)— (5)的解轉(zhuǎn)換成問題 (1)— (2)的解的形式.根據(jù)Crocco變換,可以得到
由w及其導(dǎo)數(shù)的性質(zhì)知,弱導(dǎo)數(shù)ux,uyy,uyyy在D內(nèi)有界.uxy對有界的y有界;由w,wξ,wη,wwηη的性質(zhì),知式 (48)成立.且由式 (51)知ux,uyy關(guān)于y連續(xù).
按如下的方式定義函數(shù)v(x,y)
關(guān)于y微分式 (52),可得vyuy+vuyy+uyux+uuxy-υuyyy-2υyuyy-υyyuy=0,即
函數(shù)w(ξ,η)=uy/U滿足方程 (5),在方程 (5)中用u的導(dǎo)數(shù)代替w的導(dǎo)數(shù),可得
把式 (54)乘以U后與式 (53)作和,可得uyvy+uyux+ruxuy/r=0,即
式 (52)和式 (55)就組成了所考慮的系統(tǒng) (1).由式 (4)知,
定理4 令 u,v是問題 (1)— (2)的解,其導(dǎo)數(shù) ux,uy,vy,uyy,uyyy,uxy在 D中連續(xù),u/U,uy/U在中連續(xù);當y≥0,x〉0時,uy〉0;當y=0時,uy/U〉0;當y→∞時,uy/U→0;uyy/uy,ux關(guān)于y在y=0點連續(xù);(uyyyuy-u2y)/u2>y≤0,則u,v是問題 (1)— (2)的唯一解.證明 此定理的證明與文獻[1]中定理3.1.8的方法一樣,這里不再敘述.
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