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Navier-Stokes(NS)方程组是流体力学的基本方程组,它不但可以描述流体的基本运动,还可以在不同的物理假设下,描述其他类似流体的连续介质的运动,故有重要的应用科学背景和理论意义。本文研究了Navier-Stokes方程组的一种相关模型,即可压缩双极Naiver-Stokes-Poisson方程组(BNSP),它是用来描述半导体器件中受到外部静电力作用下两种带电粒子(例如空穴与电子)在输运过程中瞬时状态的微分方程组。一般在形式上,它表现为两组经典的可压缩Navier-Stokes方程组通过由泊松方程描述的外力项耦合在一起。本文重点研究可压缩双极Navier-Stokes-Poisson方程组初值问题古典解的适定性及其大时间行为。
全文共分为五章,其中第一章为引言,介绍可压缩Navier-Stokes和Navier-Stokes-Poisson方程组的相关物理以及数学背景,并陈述本论文的主要结论。
在第二章中,我们考虑等熵BNSP的情形。研究发现,当初值关于常状态的扰动属于空间Hl(R3)∩L1(R3)(其中l≥4)且其范数足够小时,方程组的古典解整体唯一。并且,两种电荷密度的差在L2范数意义下以最优衰减率(1+t)-3/4收敛到平衡态。而两种电荷的动量与单极时的情形类似,都分别以(1+t)-1/4的最优衰减率收敛到平衡态。
除了以上这些与单极NSP类似的结果外,我们首次还发现了只有在双极情形下才出现的电荷输运过程中的新现象。即由于两种带电粒子在输运中有很强的相互影响,从而会产生抵消作用,使得两种粒子的总动量以更快速率衰减,这个速率为(1+t)-3/4+ε,其中ε>0是个可任意小但不能取零的常数。这揭示了两种电荷相互运动中,各种非线性作用几乎抵消了全部外部电场力对系统的影响,使得BNSP中动量和的衰减率与可压缩NS系统中动量的衰减率几乎相等。这个现象在前人的工作中并未被发现。
在第三章中,我们将第二章的结果推广到考虑热传导的非等熵BNSP模型。我们证明,除了密度与动量以外,当温度的初值关于平常状态的扰动也属于空间Hl(R3)∩ L1(R3)(其中l≥4)且其范数足够小时,非等熵BNSP方程组也有相应的整体适定性。并且,与等熵情形相同的,在L2范数意义下,两种电荷密度的差以及两种电荷的动量分别以(1+t)-3/4及(1+t)-1/4的最优衰减率收敛到平衡态。而当两种电荷温度的差比上密度的差有正下界时,温度的差也以(1+t)-3/4的最优衰减率收敛到平衡态。
由于以上结论中总动量的衰减率为(1+t)-3/4+ε,其中ε不能取为零,但却可以取任意小的常数。于是很自然的,我们一进步希望能考虑在初值给定何种条件时,ε可以取为零。于是在第四章中,当初值关于常状态的扰动属于Besov型空间H1(IR3)∩(B)-s1,1(IR3)(其中l≥4,s∈(0,1])且范数足够小时,我们证明了:等熵BNSP或非等熵BNSP,带电粒子动量的最优衰减率均为(1+t)-1/4-8/4,这慢于NS方程组动量的衰减率(1+t)-3/4-s/2。此外,总密度、总动量以及总温度的时间衰减率都保持为(1+t)-3/4,这个结果就改进了第二章以及第三章中的结论。
第五章为全文的总结。