Lp-theory for the boussinesq System

Abstract

Esta tesis está dedicada al estudio del sistema de Boussinesq estacionario: \begin{subequations}\label{sum_sp:eqn_Boussinesq} \begin{equation} -\nu \Delta\vu +(\vu\cdot\nabla)\vu+\nabla \pi=\theta\vg \text{\quad en $\Omega$,}\qquad \div\;\vu=0 \text{\quad en $\Omega$,} \end{equation} \begin{equation} -\kappa \Delta\theta +\vu\cdot\nabla\theta=h \text{\quad en $\Omega$,} \end{equation} \end{subequations} donde $\Omega\subset\R{3}$ es un conjunto abierto, acotado y conexo; $\vu$, $\pi$ y $\theta$ representan el campo de velocidades, la presión y la temperatura del fluido, respectivamente, siendo éstas las incógnitas del sistema; $\nu>0$ es la viscosidad cinemática del fluido, $\kappa>0$ es la difusividad térmica del fluido, $\vg$ es la aceleración de la gravedad y $h$ es una fuente de calor aplicada al fluido. El objetivo de esta tesis es el estudio de la teoría $L^p$ para el sistema de Boussinesq estacionario considerando dos diferentes tipos de condiciones de frontera del campo de velocidades. En efecto, en una primera etapa, se considerará la condición de frontera de Dirichlet no homogéneo \begin{equation}\label{sum_sp:cond_Dirichlet_velocity} \vu=\vub\text{\quad sobre\quad}\Gamma, \end{equation} donde $\Gamma$ denota la frontera del dominio; mientras que en una segunda etapa, el campo de velocidades tendrá prescrito la condición de frontera de Navier no homogéneo \begin{equation}\label{sum_sp:cond_Navier_velocity} \vu\cdot\vn=0,\quad 2\left[\DT(\vu)\vn\right]_{\vt}+\alpha\;\vu_{\vt}=\bm{a},\text{\quad sobre\quad}\Gamma, \end{equation} donde $\DT(\vu)=\frac{1}{2}\left(\nabla\vu+(\nabla\vu)^T\right)$ es el tensor de deformación asociado con el campo de velocidades $\vu$, $\vn$ es el vector normal unitario exterior, $\vt$ es el correspondiente vector unitario tangente, $\alpha$ y $\vNb$ son una función de fricción y un campo vectorial tangencial definidas ambas sobre la frontera. Además, la condición de frontera para la temperatura será, en las dos primeras partes, la condición de frontera de Dirichlet no homogéneo \begin{equation}\label{sum_sp:cond_Dirichlet_temperature} \theta=\thb\text{\quad sobre\quad}\Gamma. \end{equation} Así, en primer lugar, estudiamos la existencia y unicidad de la solución débil para el problema \eqref{sum_sp:eqn_Boussinesq}, \eqref{sum_sp:cond_Dirichlet_velocity} y \eqref{sum_sp:cond_Dirichlet_temperature} en el caso hilbertiano. Además, la existencia de soluciones generalizadas para $p\geq\frac{3}{2}$ y soluciones fuertes para $1<p<\infty$ es probada. También, se estudiará la existencia y unicidad de la solución muy débil. Vale la pena señalar que debido a que la condición de Dirichlet no homogénea es considerada para la velocidad, el hecho de que la frontera del dominio pueda ser no conexa juega un papel importante, ya que aparece de manera explícita en las hipótesis de algunos de los principales resultados. Por otro lado, en la segunda etapa de la tesis, se estudiará la existencia de soluciones débiles en el caso de Hilbert, así como la existencia de soluciones generalizadas para $p>2$ y soluciones fuertes para $p\geq\frac{6}{5}$ para el problema \eqref{sum_sp:eqn_Boussinesq}, \eqref{sum_sp:cond_Navier_velocity} y \eqref{sum_sp:cond_Dirichlet_temperature}. Tenga en cuenta que la suposición hecha anteriormente acerca de la no conexidad de la frontera no aparecerá aquí debido a la restricción de impermeabilidad en la frontera. Finalmente, en la última parte de esta tesis, estudiamos la teoría $L^p$ para las ecuaciones de Stokes con la condición de Navier \eqref{sum_sp:cond_Navier_velocity}. Más precisamente, nos ocuparemos de la regularidad $W^{1,p}$ para $p\geq2$ y la regularidad $W^{2,p}$ para $p\geq\frac{6}{5}$.