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近年来,Navier-Stokes方程解析性的相关研究已经引起了广泛的关注[1-4]. 空间解析性是一个局部性质,即在解的某一个领域内讨论其可导性,通常情况下它都是成立的. 然而时间解析性就很难说明了. 本文代数化地处理Stokes-Ossen核函数,就可以得到$\mathbb{R}$d(d=2, 3)内带非线性阻尼项的Navier-Stokes方程
其有界温和解的时间解析性. 方程(1)中的阻尼项产生于水流运动的阻力,它可以描述一些物理现象,如多孔介质的流动、阻力、摩擦效应以及某些耗散机制[5-7]. 这里未知函数u(x, t), p(x, t)分别表示不可压缩流体的速度和压强,β为满足
$\frac{7}{2} \leqslant \beta \leqslant 5$ 的常数.本文主要结果如下:
定理1 若问题(1)的温和解u满足
则对任意整数n≥1有
其中N≥1为充分大的常数. 于是,u(x, t)对任意t∈(0, 1]是时间解析的.
本文中C1, C2, C3代表特定的常数,c代表不定常数.
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引理1[9] 对任意n≥1, 下述不等式成立:
其中c > 0为与n无关的常数.
引理2[9] 设f, g为$\mathbb{R}$上的两个光滑函数,对任意n≥1, 下述关系式成立:
令Stokes-Ossen核为
$E(\boldsymbol{x}, t)=\widetilde{P} \mathit{\Gamma} (\boldsymbol{x}, t)$ , 其中$\widetilde{P}$为$\mathbb{R}$d内的Leray-Hopf投影,$\mathit{\Gamma}=(4 \pi t)^{-\frac{d}{2}} \mathrm{e}^{-\frac{|x|^{2}}{4 t}}$ 为热核. E为具有半群性质的齐次热方程的解,且$E(\boldsymbol{x}, t)=t^{-\frac{d}{2}} E\left(\frac{\boldsymbol{x}}{\sqrt{t}}, 1\right)$ , 其中E(·, 1)为$\mathbb{R}$d内与$\frac{C}{|\boldsymbol{x}|^{d}}$ (x→∞) 衰减速率相同的光滑函数. 此外,(∂tE)(x, 1)与$\frac{C}{|\boldsymbol{x}|^{d+2}}(\boldsymbol{x} \rightarrow \infty)$ 衰减速率相同,(∇E)(x, 1)与$\frac{c}{|\boldsymbol{\boldsymbol{x}}|^{d+1}}(x \rightarrow \infty)$ 衰减速率相同[13]. 于是,对任意t > 0和整数k≥1有其中C2≥1为常数. 由Leibniz公式[15]可得
其中C3≥1为常数.
引理3 在定理1条件成立的前提下,对任意整数n≥1有
其中N≥1为充分大的常数.
证 因为u是问题(1)的温和解,所以对任意t∈(0, 1]有
其中*为空间卷积. 因为
所以
由(2)和(9)式,可得
其中N≥1为充分大的常数. 估计I2之前,先将其作一个简单的变形,即
所以
由(2)和(4)式可得对任意整数k=1, 2, …, n-1有
以及k=n时有
其中N≥1为充分大的常数. 于是
由(2), (6), (10), (14), (15)式和引理1, 可得
其中N≥1为充分大的常数. 所以
与估计I2同理,先将I3作一个简单的变形,即
于是
由(2)和(4)式可得对任意整数k=1, 2, …, n-1有
以及k=n时有
其中N≥1为充分大的常数. 由(2), (5), (9), (17), (18)式和引理1可得
其中N≥1为充分大的常数,所以
将(13), (16)和(19)式代入(12)式,可得对任意t∈(0, 1]有
对(20)式利用Gronwall不等式,可得对任意t∈(0, 1]有
即
其中N≥1为充分大的常数. 综上,引理3证明完成.
定理1的证明 由(3)式可得对任意t∈(0, 1]和整数k=1, 2, …, n有
当k=n时有
再利用(11)式,可得
当k=n-1时有
再利用(21)式可得
由归纳法可得当k=1时有
即
其中N≥1为充分大的常数. 综上,定理1证明完成.