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.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».