Exploring numerical blow-up phenomena for the Keller–Segel–Navier–Stokes equations

纳维-斯托克斯方程组 数学 数学分析 应用数学 机械 物理 压缩性
作者
Jesús Zamora Bonilla,Juan Vicente Gutiérrez‐Santacreu
出处
期刊:Journal of Numerical Mathematics [De Gruyter]
卷期号:32 (2): 175-212
标识
DOI:10.1515/jnma-2023-0016
摘要

Abstract The Keller–Segel–Navier–Stokes system governs chemotaxis in liquid environments. This system is to be solved for the organism and chemoattractant densities and for the fluid velocity and pressure. It is known that if the total initial organism density mass is below 2 π there exist globally defined generalised solutions, but what is less understood is whether there are blow-up solutions beyond such a threshold and its optimality. Motivated by this issue, a numerical blow-up scenario is investigated. Approximate solutions computed via a stabilised finite element method founded on a shock capturing technique are such that they satisfy a priori bounds as well as lower and L 1 ( Ω ) bounds for the organism and chemoattractant densities. In particular, these latter properties are essential in detecting numerical blow-up configurations, since the non-satisfaction of these two requirements might trigger numerical oscillations leading to non-realistic finite-time collapses into persistent Dirac-type measures. Our findings show that the existence threshold value 2 π encountered for the organism density mass may not be optimal and hence it is conjectured that the critical threshold value 4 π may be inherited from the fluid-free Keller–Segel equations. Additionally it is observed that the formation of singular points can be neglected if the fluid flow is intensified.
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