The Global Well-Posedness and Decay Estimates for the 3D Incompressible MHD Equations With Vertical Dissipation in a Strip

磁流体力学 消散 数学 数学分析 磁流体驱动 索波列夫空间 压缩性 指数衰减 边界(拓扑) 非线性系统 平滑的 物理 机械 等离子体 核物理学 统计 热力学 量子力学
作者
Hongxia Lin,Xiaoxiao Suo,Jiahong Wu
出处
期刊:International Mathematics Research Notices [Oxford University Press]
卷期号:2023 (22): 19115-19155 被引量:6
标识
DOI:10.1093/imrn/rnac361
摘要

Abstract The three-dimensional incompressible magnetohydrodynamic (MHD) system with only vertical dissipation arises in the study of reconnecting plasmas. When the spatial domain is the whole space $\mathbb R^3$, the small data global well-posedness remains an extremely challenging open problem. The one-directional dissipation is simply not sufficient to control the nonlinearity in $\mathbb R^3$. This paper solves this open problem when the spatial domain is the strip $\Omega := \mathbb R^2\times [0,1]$ with Dirichlet boundary conditions. By invoking suitable Poincaré type inequalities and designing a multi-step scheme to separate the estimates of the horizontal and the vertical derivatives, we are able to establish the global well-posedness in the Sobolev setting $H^3$ as long as the initial horizontal derivatives are small. We impose no smallness condition on the vertical derivatives of the initial data. Furthermore, the $H^3$-norm of the solution is shown to decay exponentially in time. This exponential decay is surprising for a system with no horizontal dissipation. This large-time behavior reflects the smoothing and stabilizing phenomenon due to the interaction within the MHD system and with the boundary.
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