Групповая классификация нелинейного уравнения теплопроводности с дробно-дифференциальным малым двухфазным запаздыванием

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье решается задача групповой классификации нелинейного одномерного дробно-дифференциального уравнения теплопроводности с полной памятью и двухфазным запаздыванием, включающим тепловую релаксацию и термическое демпфирование. Характерные времена релаксационных процессов считаются малыми, что учитывается в уравнении введением малого параметра при дробно-дифференциальных релаксационных слагаемых. Все теплофизические параметры считаются функциями температуры. Групповая классификация выполняется с точностью до преобразований эквивалентности по допускаемым уравнением группам приближенных точечных преобразований в линейном приближении по малому параметру. Доказано, что в общем случае допускаемая уравнением приближенная группа является пятипараметрической. Выделены случаи ее расширения до семи- и девятипараметрической, соответственно. Показано также, что рассматриваемое нелинейное уравнение обладает бесконечной группой приближенных симметрий в случае, когда соответствующее невозмущенное уравнение является линейным.  Доказано, что рассматриваемое уравнение всегда точно наследует симметрии невозмущенного уравнения. Полученные результаты дают возможность построения приближенно-инвариантных решений рассматриваемого уравнения. В частности, из найденной классификации следует, что рассматриваемое уравнение всегда будет обладать решением типа бегущей волны, а автомодельные решения возможны только в случае степенных зависимостей теплофизических параметров от температуры. Получены анзацы данных типов решений и выполнена симметрийная редукция рассматриваемого уравнения к соответствующим обыкновенным дробно-дифференциальным уравнениям.
 

Об авторах

Вероника Олеговна Лукащук

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий»

Автор, ответственный за переписку.
Email: voluks@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3082-1446

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры высокопроизводительных вычислительных технологий и систем
Россия, 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32

Станислав Юрьевич Лукащук

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий»

Email: lsu@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0001-9209-5155

докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры высокопроизводительных вычислительных технологий и систем
Россия, 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32

Список литературы

  1. Овсянников Л. В. Групповой анализ дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1978. 400 с.
  2. Ибрагимов Н. Х. Группы преобразований в математической физике. М.: Наука, 1983. 280 с.
  3. Олвер П. Приложения групп Ли к дифференциальным уравнениям. М.: Мир, 1989. 639 с.
  4. CRC Handbook of Lie group analysis of differential equations / Ed. by N. H. Ibragimov. Boca Raton, FL: CRC Press, 1994. Vol. 1. 448 p.
  5. CRC Handbook of Lie group analysis of differential equations / Ed. by N. H. Ibragimov. Boca Raton, FL: CRC Press, 1995. Vol. 2. 576 p.
  6. CRC Handbook of Lie group analysis of differential equations / Ed. by N. H. Ibragimov. Boca Raton, FL: CRC Press, 1996. Vol. 3. 560 p.
  7. Grigoriev Yu. N., Ibragimov N. H., Kovalev V. F., Meleshko S. V. Symmetries of integro-differential equations: with applications in mechanics and plasma physics. Dordrecht: Springer, 2010. 318 p.
  8. Григорьев Ю. Н., Ковалев В. Ф., Мелешко С. В. Симметрии нелокальных уравнений: Теория и приложения. Новосибирск: Наука, 2018. 436 с.
  9. Gazizov R. K., Kasatkin A. A., Lukashchuk S. Yu. Symmetries and group invariant solutions of fractional ordinary differential equations // Ed. A. Kochubei, Y. Luchko, Vol 2. Fractional Differential Equations. Boston: De Gruyter, 2019. P. 65–90. doi: 10.1515/9783110571660-004
  10. Gazizov R. K., Kasatkin A. A., Lukashchuk S. Yu. Symmetries, conservation laws and group invariant solutions of fractional PDEs // Ed. A. Kochubei, Y. Luchko, Vol. 2. Fractional Differential Equations. Boston: De Gruyter, 2019. P. 353–382. doi: 10.1515/9783110571660-016
  11. Байков В. А., Газизов Р. К., Ибрагимов Н. Х. Приближенные симметрии // Матем. сб. 1988. Т. 136, № 4. С. 435–450.
  12. Байков В. А., Газизов Р. К., Ибрагимов Н. Х. Методы возмущений в групповом анализе // Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Нов. достиж. 1989. Т. 34. С. 85–147.
  13. Байков В. А., Газизов Р. К., Ибрагимов Н. Х. Приближенные симметрии и законы сохранения // Тр. МИАН. 1991. Т. 200. C. 35–45.
  14. Байков В. А., Газизов Р. К., Ибрагимов Н. Х. Приближенные группы преобразований // Дифференц. уравнения. 1993. Т. 29, № 10. С. 1712–1732.
  15. Gazizov R. K., Lukashchuk S. Yu. Approximations of Fractional Differential Equations and Approximate Symmetries // IFAC-PapersOnLine. 2017. Vol. 50, No. 1. P. 14022– 14027. doi: 10.1016/j.ifacol.2017.08.2426
  16. Lukashchuk S. Yu., Saburova R. D. Approximate symmetry group classification for a nonlinear fractional filtration equation of diffusion-wave type // Nonlinear Dyn. 2018. Vol. 93, No. 2. Pp. 295–305.
  17. Lukashchuk S. Yu. Approximate conservation laws for fractional differential equations // Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2019. Vol. 68. Pp. 147–159. doi: 10.1016/j.cnsns.2018.08.011
  18. Lie S. Classification und integration von gewohnlichen differential-gleichungen zwischen x, y, die gruppe von transformationen gestatten // Arch. Math. Natur. Christiania. 1883. Vol. 9. P. 371–393.
  19. Овсянников Л. В. Групповая классификация уравнений вида y'' = f(x, y) // Прикл. мех. техн. физ. 2004. Т. 45, № 2. С. 5–10.
  20. Овсянников Л. В. Групповые свойства уравнения нелинейной теплопроводности // Докл. АН СССР. 1959. Т. 125, № 3, C. 492–495.
  21. Дородницын В. А. Об инвариантных решениях уравнения нелинейной теплопроводности с источником // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1982. Т. 22, № 6, С. 1393–1400.
  22. Lukashchuk S. Yu., Makunin A. V. Group classification of nonlinear time-fractional diffusion equation with a source term // Appl. Math. Comput. 2015. Vol. 257, P. 335–343.
  23. Лукащук С.Ю. Симметрийная редукция и инвариантные решения нелинейного дробно-дифференциального уравнения аномальной диффузии с источником // Уфимский математический журнал. 2016. Т. 8, № 4, С. 114–126.
  24. Лукащук С.Ю. Групповая классификация одного нелинейного приближенного уравнения субдиффузии // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2016. Т. 20, № 4. С. 603–619. DOI : 10.14498/vsgtu1520
  25. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.
  26. Костановский А. В., Костановская М. Е. Критерий применения параболического уравнения теплопроводности // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 12. С. 6–11.
  27. Qiu T. Q., Tien C. L. Heat Transfer Mechanisms During Short-Pulse Laser Heating of Metals // J. Heat Transfer. 1993. Vol. 115, No. 4. P. 835–841. doi: 10.1115/1.2911377
  28. Wang H. D., Cao B. Y., Guo Z. Y. Non-Fourier Heat Conduction in Carbon Nanotubes // J. Heat Transfer. 2012. Vol. 134, No. 5. 051004.
  29. Roetzel W., Putra N., Das S. K. Experiment and analysis for non-Fourier conduction in materials with non-homogeneous inner structure // Int. J. Therm. Sci. 2003. Vol. 42, No. 6. P. 541–552.
  30. Жмакин А. И. Теплопроводность за пределами закона Фурье // ЖТФ. 2021. Т. 91, № 1. С. 5–25. doi: 10.21883/JTF.2021.01.50267.207-20
  31. Cattaneo C. A form of heat equation which eliminates the paradox of instantaneous propagation // Comptes Rendus de l’Academie des Sciences. 1958. Vol. 247. P. 431–433.
  32. Vernotte P. Paradoxes in the continuous theory of the heat equation // Comptes Rendus de l’Academie des Sciences. 1958. Vol. 246. P. 3154–3155.
  33. Tzou D. Y. A unified approach for heat conduction from macro to micro-scales // ASME J. Heat Transfer. 1995. Vol. 117. P. 8–16. doi: 10.1115/1.2822329
  34. Xu H.-Y., Jiang X.-Y. Time fractional dual-phase-lag heat conduction equation // Chin. Phys. B. 2015. Vol. 24, No. 3. Article number 034401. doi: 10.1088/1674-1056/24/3/034401
  35. Sobhani H., Azimi A., Noghrehabadi A., Mozafarifard M. Numerical study and parameters estimation of anomalous diffusion process in porous media based on variable-order time fractional dual-phase-lag model // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2023. Vol. 83, No. 7. P. 679–710. doi: 10.1080/10407782.2022.2157915
  36. Zhuang Q., Yu B., Jiang X. An inverse problem of parameter estimation for time-fractional heat conduction in a composite medium using carbon–carbon experimental data // Phys. B: Condens. Matter. 2015. Vol. 456. P. 9–15. doi: 10.1016/j.physb.2014.08.011
  37. Fotovvat M. H., Shomali Z. A time-fractional dual-phase-lag framework to investigate transistors with TMTC channels (TiS3, In4Se3) and size-dependent properties // Micro and Nanostructures. 2022. Vol. 168. 207304. doi: 10.48550/arXiv.2203.06523
  38. Lukashchuk S. Yu. A semi-explicit algorithm for parameters estimation in a timefractional dual-phase-lag heat conduction model // Modelling. 2024. Vol. 5, No. 3. P. 776–796. doi: 10.3390/modelling5030041
  39. Kilbas A. A., Srivastava H. M., Trujillo J. J. Theory and Applications of Fractional Differential Equations. Amsterdam: Elsevier, 2006. 523 p.
  40. Ахатов И. Ш., Газизов Р. К., Ибрагимов Н. Х. Нелокальные симметрии. Эвристический подход // Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Нов. достиж. 1989. Т. 34. С. 3–83.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Лукащук В.О., Лукащук С.Ю., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Мы используем файлы cookies, сервис веб-аналитики Яндекс.Метрика для улучшения работы сайта и удобства его использования. Продолжая пользоваться сайтом, вы подтверждаете, что были об этом проинформированы и согласны с нашими правилами обработки персональных данных.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).