автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели процесса теплообмена со свободными границами с использованием спектральных представлений

004617378 ЗАЙНУЛЛИН Рифат Гильметдинович

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА СО СВОБОДНЫМИ ГРАНИЦАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 ДЕК 2010

Уфа-2010

004617378

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимском государственном авиационном техническом университете» на кафедре математики

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, проф.

ЖИБЕР Анатолий Васильевич

Институт математики с вычислительным центром

УНЦ РАН

Официальные оппоненты: д-р физ.-мат. наук

СУЛЕЙМАНОВ Булат Ирекович

Институт математики с вычислительным центром

УНЦ РАН

д-р техн. наук, проф. ЦИРЕЛЬМАН Наум Моисеевич

кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики ГОУ ВПО «Уфимского государственного авиационного технического университета»

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Самарский государственный университет»

Защита диссертации состоится «28» декабря на заседании диссертационного совета Д 212.288.06 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу: 450000, г.Уфа, Республика Башкортостан, ул. К.Маркса, д.12, копр.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ.-мат. наук, проф. , БУЛГАКОВА Г.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Краевые задачи для уравнений параболического типа в нецилиндрических областях являются предметом необозримого числа исследований, охватывая все новые содержательные математические объекты и все большее число самых разнообразных приложений. Наличие движущихся границ вносит серьёзные трудности в попытках получить аналитические решения такого рода задач, и поиск подходов для этих целей продолжается, и более того, находится в самом начале этого пути. В этом смысле тема диссертационного исследования является актуальной по существу.

Многие задачи теплообмена, широко используемые в гидромеханике, физике, технике, химической технологии и др. связаны с процессами затвердевания или плавления. Исследования таких задач принимают всё более неоценимое значение во многих отраслях народного хозяйства -машиностроительной, автомобильной, авиационной промышленности; в развитии сырьевой базы металлургической, топливной, химической промышленности; при сооружении гидроэлектростанции, метрополитенов, баз и хранилищ различного назначения. Проблема совершенствования технологических процессов в данных отраслях промышленности неизбежно приводит к задачам интенсификации процессов механической обработки материалов, а это требует выявления влияния режимных, технологических и конструктивных факторов на тепловое состояние изделий. Например, для повышение надежности и безопасности функционирования летательных аппаратов необходима информация о внутреннем температурном режиме вдоль всего ланжерона с учетом фазового переход, происходящего в период изготовления изделия, поэтому роль теоретических исследований в этой области очень велика.

Строительство многих подземных объектов осуществляется в сложных метеорологических и гидрогеологических условиях. Это связано с тем, что работы ведутся в водоносных грунтах в районах Крайнего Севера и Антарктиды, и проведения строительства осложняется процессами промерзания и оттаивания грунта. Успешное проведение этих работ невозможно без понимания Тепловы процессов, происходящих в зоне вечной мерзлоты. Поэтому задача построения температурных полей для таких процессов весьма актуальна и имеет большое практическое значение.

Цель работы. Целью диссертационной работы является построение и исследование математической модели, адекватно описывающей процессы нестационарного теплообмена с фазовым переходом.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

1. Получение приближенно-аналитического решения изучаемых задач нестационарного теплообмена с фазовым переходом.

2. Доведение полученного приближенно-аналитического решения до компактных вычислительных формул с хорошо сходящимися рядами с помощью

функциональных и рекуррентных соотношений и асимптотических представлений для вырожденных гипергеометрических функций.

3. Оценка сходимости алгоритма численного расчета.

Научная новизна.

1. Предложена новая математическая модель процесса нестационарного теплообмена с фазовым переходом со специальными начальными условиями в постановке задачи, обеспечивающими возможность применения интегральных преобразований.

2. Впервые получено приближенно-аналитическое решение одномерной и двухмерной задач Стефана в неавтомодельных постановках методом разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора с доведением до числовых результатов для одномерной задачи.

3. Развита теория интегральных преобразований на основе вырожденных гипергеометрических функций.

Теоретическая и практическая ценность. Результаты работы представляют теоретический интерес для специалистов занимающихся в областях моделирования процессов, связанных с фазовыми переходами. Они могут быть использованы при решении соответствующих задач как аналитическими и численными методами.

Получены формулы вычисления нормирующих множителей исходя из свойств уравнения второго порядка.

Применение полученных результатов представляет значительный практический интерес. Например, задача об образовании льда имеет чрезвычайно большое значение как в геофизике, так и при производстве льда; в последнее время большое внимание уделяется вопросу затвердевания отливок; изучение охлаждения больших масс изверженных горных пород имеет большое значение в геологии и т.д.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается обоснованностью математической модели процесса фазового перехода, вытекающей из общей теории математической физики и данных натурного эксперимента, применением аналитических методов, основанных на общей схеме метода разделения переменных и интегральных преобразований. Корректность численной схемы обусловлена проверкой её сходимости.

Апробация работы и публикации. Результаты работы опубликованы в 15 научных статьях (2 из них в изданиях, рекомендованном ВАК, 4 в материалах конференций). Вклад соавторов публикации равнозначен. Список публикации по теме диссертации приведен в конце автореферата. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждались:

- на конференции молодых учёных БФАН СССР "Исследования по

математике, физике, механике и процессам управления" (Уфа, 1987г.);

- на IV Уральской региональной конференции "Функционально-

дифференциальные уравнения и их приложения" (Уфа, 1989г.);

- на III Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998г.);

- на международной научной конференции "Моделирование, вычисление, проектирование в условиях неопределенности" (Уфа, 2000г.);

- на научно-практической конференции, посвященной году здоровья и 70-летию БГМУ (Уфа, 2002г.);

- на международной математической конференции, посвященной памяти А.Ф. Леонтьева (Уфа, 2007г.);

- на международной научной конференции "Дифференциальные уравнения и сложные проблемы" (Стерлитамак, 2008г.);

- на III международной научной конференции "Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования" (Воронеж, 2009г.);

- на VI Всероссийской научной конференции с международным участием "Математическое моделирование и кривые задачи" (Самара, 2009г.);

- на II международной научной конференции "Математическое моделирование и дифференциальные уравнения" (Минск, 2009г.);

- на научных семинарах кафедры дифференциальных уравнений Уральского, Башкирского, Куйбышевского, Саратовского, Казанского, Московского госуниверситетов, института математики с ВЦ УНЦ РАН, Стерлитамакского филиала Уфимского БГПУ (1990-2000г.г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новая математическая модель процессов нестационарного теплообмена с фазовым переходом, описываемые уравнениями в частных производных параболического типа со специальными краевыми условиями, задаваемыми на свободных и фиксированных границах.

2. Приближеино-аналитическое решение одномерной и двухмерной задач нестационарного теплообмена с фазовыми переходами, основанное на методе разложения по собственным функциям самосопряжённого дифференциального оператора, выражающимися через вырожденные гипергеометрические функции.

3. Численная схема описания температурных полей и вычисления скорости движения свободной границы на основе приближённо-аналитического метода с использованием функциональных, рекуррентных и асимптотических соотношений для вырожденных гипергеометрических функций.

4. Асимптотические и численные методы нахождения спектральной функции, основанные на использовании специальных функций, параметры которых зависят от собственных чисел: это вырожденные гипергеометрические функции, функции параболического цилиндра и функции Эйри.

Структура и основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и библиографического списка, включающего 116 наименований. Информационная часть включает оглавление. Объем диссертации составляет 101 страницу.

Введение содержит краткий анализ структуры и содержания диссертационной работы, обоснование актуальности выбранного объекта исследования. Сформированы цели и задачи исследования, перечисляются результаты, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна и практическая значимость, приводятся сведения об апробации работы и публикациях. Проводится анализ работ по теме исследования. Освещается состояние современной аналитической теории математической физики при решении краевых задач теплообмена в областях со свободными границами. Рассматриваются методы тепловых потенциалов, функций Грина, контурного интегрирования, обобщенных рядов, функциональных преобразований, дифференциальных рядов, автомодельных преобразований и др. Даётся обоснование метода, применяемого в данной работе.

Классические методы решения краевых задач для уравнения параболического типа в областях с криволинейными границами, изложенных в диссертации (§1-§7), обладают рядом недостатков: они требуют определенной изобретательности, дают решения малопригодные для числовых результатов, или же, в частности, могут дать неопределенность решения в начальный момент времени. Методы интегральных преобразований обладают рядом преимуществ перед классическими методами, они стандартны, позволяют получать решения в удобном для расчета виде (например, для малых и больших значений времени), использование таблиц изображений функций ускоряет и упрощает процесс нахождения решения. Наиболее удобным для задач теплообмена с фазовым переходом, как показывает анализ, служит метод конечных интегральных преобразований (в нашем случае он назван как метод разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора), так как переход к оригиналам производится гораздо проще, чем в случае других интегральных преобразований, к тому же в данном случае не возникает необходимости построения функции Грина, что само по себе не просто. В то же время применение конечного интегрального преобразования позволяет привести краевую задачу к решению в изображениях линейного обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка, решение которого элементарно.

Анализ работ по теме исследования показывает, что аналитическое решение задач нестационарного тепло- и массообмена при наличии движущихся границ в данных постановках удобнее всего получить методом, используемым в данной работе.

В первой главе изучается одномерная двухфазная задача Стефана с ограниченной областью теплового влияния. Обосновывается возможность разложения решения преобразованной задачи по собственным функциям

самосопряженного дифференциального оператора и излагается получение аналитического решения изучаемой задачи через это разложение.

В §1 формулируется постановка изучаемой задачи. Математическая модель процесса теплообмена для такой задачи имеет вид:

Вф,г) =а д\(х,х) ; (1)

дх " дхг

хеВк(г):Д,(г)={0<х<г,(т)} А(т) = {§,(т) < х < (т)} ; т>0, а>1;

Л(^0)=Г = (2)

I (а-1)?о

МО.т)^, (3)

(4)

1 & 2 & А

Требуется найти функции ^(Зс.т^ и ^(т), удовлетворяющие равенствам (1)-(4).

Условие (г) = (г), а > 1 принято на основании данных многократных наблюдений, проводимых в мерзлотной лаборатории Института мерзлотоведения АН СССР под руководством Н.А.Цитовича. Это объясняется тем, что среда обладает настолько большим тепловым сопротивлением, что влияние источника холода, имеющей конечную температуру, за конечный промежуток времени практически не может распространяться на бесконечно большое расстояние. В частности, из опыта замораживания грунтов установлено, что влияние температуры мерзлой части среды становится практически неуловимым на расстоянии равном 4,5-5,5 толщины промерзания. Точность определения £2(г) и £,(г) обусловлена точностью измерения температуры (± 0,2 °С). Для проверки предположения о линейной зависимости между толщиной промерзания £,(г) и расстоянием влияния £2(г) источника холода в период 1938 -1950 г.г. были осуществлены натурные наблюдения и проведены специальные опыты. Из результатов наблюдений следует весьма важный вывод, заключающийся в том, что отношение расстояния влияния источника холода к толщине промерзания примерно одинаково и колеблется в небольших пределах (4,5-5,5).

В §2 с помощью подстановок

(\-у)1, прик-\; задача (1)-(3) сводится к решению уравнения

У-К * ? {5)

и при к = 2,

а-1

Л 1 Зу1 ду 1 (ф при А = 2

Ц-а

с однородными краевыми условиями

Г*(У,0)=0; (7)

7] (0, т) = Тк (1, т) = Т2 (а, х) = 0. (8)

Решение задачи (6)-(8) отыскиваем, используя метод конечных интегральных преобразований по у, ядра которых являются решениями уравнений

ду ду

при однородных граничных условиях

= = = (10) Полагая, что постулируемые ниже свойства интегрального преобразования имеют место, равномерно относительно т. Для обеспечения условий, позволяющих получить разложение решения задачи (6)-(8) по собственным функциям Кк%1(у), соответствующим собственным значениям на уравнение (9) накладывается требование самосопряженности, откуда определяется весовая функция

р*00==^ Рк = ^

с точностью до произвольного множителя и устанавливается закон движения свободной границы

I)

постоянный параметр Л подлежит определению через условие Стефана (4). Уравнение (9) имеет следующий самосопряженный вид

8у

Р.Ш—^—

. (11)

которое приводится к виду

= (12)

ду ду а„

Подстановками

к„л{у) = ^и,,«« р(-2), 2 = ^ =

уравнения (9) или (11), или (12) приводятся к вырожденным гипергеометрическим

с однородными граничными условиями

ии (°) = СР*) = и2л (Р2д!) = 0 > (14)

Решив задачу (13)-(14), находятся собственные функции задачи (9)-(10) ортонормированные с весом Р* (>), которые имеют вид

где С;1,.-нормирующие множители,

§3 посвящается выводу формул для нормирующих множителей при собственных функциях исходя из свойств уравнения (12).

В §4 приводятся способы определения собственных значений спектральной задачи (9)-(10) в зависимости от величины введенного безразмерного параметра Р*. При умеренных значениях этого параметра

собственные числа м1,гак можно находить из характеристических уравнений непосредственно

П6,7,|;Р1) = 0) Д^(Ь2,т,-;р2) = 0, (]5)

решая их численными методами. Используя частные случаи вырожденных гипергеометрических функций, в уравнениях (15) можно перейти к функциям параболического цилиндра.

При малых значениях параметра собственные числа находятся методом, основанным на теории возмущенного дифференциального оператора с использованием известного асимптотического разложения

Для этого подстановкой Штурма уравнение (12) приводится к виду ^

2

-о;.тоо+[(м2+Р*Кт (у)оо (17)

с однородными граничными условиями *

Считается, что левая часть уравнения (17) порождается возмущенным дифференциальным оператором.

При больших значениях Р4 уравнение (17) преобразуется к виду

чГлОО-ЙО^-ЛтЭимОО'О; (19)

В этом случае для нахождения собственных чисел используется асимптотическое разложение для решения уравнения (18) в вещественной окрестности точки поворота ук^. Тогда нетривиальные решения задачи (19)-(18), полученные с точностью до порядка возможны лишь при значениях

собственных чисел, удовлетворяющих характеристическим уравнениям

р* (у2, р,1) Ц/р, Чу (у,, р,1)] - а/ , р,1) ]в { р* Чт О',, Р*) ] = 0, (20)

Ч / Ч ) \ ' ) \ ,

где >-1=0, у2= 1 при А=1; 1, уг=а при

Г , ЛТ

3 ^ ,1 )3

2 У-^А1*? ®8П0'-Л.»)■

V л., )

При больших значениях аргументов в уравнении (20) следует воспользоваться известными асимптотическими формулами для функций Эйри. Уравнение (20) решается численным методом.

В §5 решается уравнение для изображения функции Тк(у,т), которое оказывается линейным. Затем с помощью обратного преобразования получается формула обращения для введенного интегрального преобразования, что позволяет выписать аналитическое решение задачи.

В ходе решения задачи из условия Стефана (4) с использованием решения задачи (1)-(3) получается трансцендентное уравнение относительно параметра Л, зависящего от теплофизических характеристик среды и краевых условий.

В §6 обосновывается требование самосопряженности, накладываемое на уравнение (9) с помощью теоремы о разложении по собственным функциям.

Теорема. Если интеграл

У)[Тк{у,тУРк{у)<1у<ъ (21)

равномерно ограничен относительно т, а функция Тк(у,т) дважды непрерывно дифференцируема в [уьуг] и удовлетворяет граничным условиям задачи Штурма-Лиувилля (11)-(10), то она может быть представлена в виде суммы ряда (равномерно сходящегося по т)

г=I

(22)

где

)тк(у,т)К,г(у)рк{у)с(у,

а равенство (22) понимается в смысле сходимости в среднем, т.е.

"2

Нш [

л—>оо *

г=л

р,ООФ = о.

(23)

В этом случае выполняется равенство Парсеваля

Если соотношение (23) имеет место для функции {у, т) из какого-либо класса функций, удовлетворяющие условию квадратичной интегрируемости (21), то ортонормированная с весом Рь(у) система собственных функций Кку{у) является полной в рассматриваемом классе функций. Необходимым условием полноты системы функций Кк1(у) является свойство замкнутости этой системы, заключающееся в том, что из равенств

У]Шт)Ккг(у)рк(у)с1у=0, уем

вытекает равенство*' Т* (у, т) = 0, при у е [)>1,Уг] для любых функций Т4(у,т), удовлетворяющих условию (21).

Если функция Т4(у,т) удовлетворяет сформулированным требованиям, то формула (22) представляет обратное преобразование. Из единственности разложения следует взаимнооднозначное соответствие между функциями Т»(у,т) и ик(у,т). Поэтому, решив преобразованную задачу, с учетом (8), получаем решение исходной задачи.

Во второй главе изучается двухмерная однофазная задача Стефана.

В §1 формулируется постановка изучаемой задачи. Математическая модель процесса теплообмена для такой задачи имеет вид

Э/(х„х2,т) _ 2 32 Эх

;=1

ас;

(*,,Х2)<= п(х,т) = {¡X,| < (т),0 < х2 < , г)},

т>0, (+0) > 0, $(*„+()) >0;

1--

/(х,,х2,0) = 1 -

4,(0);

'о;

1 -

5,(0)

(24)

(25)

(26) (27)

Эфс„5(х„т),т) Э£(х„т)

д! от

где / -внешняя нормаль к линии ^ , функция ^(х,, т) изображает гладкую линию 5Т, пересекающуюся с полупрямыми, исходящими из точки (х1=0, *2=0), не более чем в одной точке, о - скрытая теплота кристаллизации, а2; к - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, соответственно, V - плотность образующейся фазы.

Требуется найти функции 1(х\, хъ т), с/хи т), удовлетворяющие равенствам (24)-( 28).

В §2 с помощью подстановок

х2=у£(х„ т), (29)

задача (24)-(26) сводится к решению уравнегшя

9г I Щ

+<а'

с однородными краевыми условиями

Т(у„у2,0) = 0;

Г(^Ах) = Г(у„1,х) = 0,

Г2

где

+ й2 2

$,(*) «х„т) К 1

Фх.х)

(30)

(31)

(32)

Решение задачи (30)-(32) ищется двухкратным применением конечных интегральных преобразований по переменным у/ и у2. При этом полагается, что постулируемые ниже свойства преобразований имеют место равномерно относительно у?,т и т, соответственно.

Ядро преобразования (2.2.6) является решением уравнения

„я эУу.Щу,,?,) ] _ ^ (Т) а[у,р(у,Щу„у,)]+

ду, ду,

с однородными граничными условиями

ЛГ(0,г,) = К(±1,7,) = 0,

Для обеспечения условий, позволяющих получить это разложение решения задачи (30)-(32) по собственным функциям К(у],у1) = Кь(у,), соответствующих

собственным числам на уравнение (33) накладывается требование

самосопряженности, откуда определяется весовая функция

р(у1) = ехр(а>-12),

\2

2 а

с точностью до произвольного постоянного множителя и устанавливается закон движения границы фазового перехода на горизонтальной оси

4,2(т)= {л^А'тНо

о

Уравнение (33) имеет следующий самосопряженный вид

4Уг

р(у,У

Ф,

+ РО',)КТ1СУ,) = О.

которое приводится к виду

--2— + 2а,.у1—ь-

Подстановками

йух

= 0.

рЫ)' ^(ад2)

' \ а!

уравнение (36) приводится к вырожденному гипергеометрическому

(35)

(36)

1 <Ь\

+ --г,

<Ч,(г1)

где 6=1-

^ V

— , при однородных граничных условиях

(37)

«„(0) = и>,) = 0.

(38)

Решив задачу (37)-(38), находятся собственные функции (ядра) задачи (33)-(34), ортонормированные с весом р(у,)

Здесь С~' - нормирующий множитель, у 6 Л7.

В §3 приводятся способы определения собственных значений спектральной задачи (33)-(34) в зависимости от величины безразмерного параметра а,, как это показано в первой главе при решении одномерной задачи. При малых значениях а, нахождение собственных чисел основано на теории возмущенного дифференциального оператора с использованием известного асимптотического разложения по малому параметру. При больших значениях а, для нахождения собственных чисел используется асимптотическое разложение уравнения второго порядка в вещественной окрестности точки поворота.

В §4 находятся собственные функции для интегрального преобразования по >>2, также через вырожденные гипергеометрические функции. Одновременно устанавливается форма подвижной границы и закон движения в зависимости от времени. Он снова оказывается параболическим, а форма свободной границы, соответствующая решению изучаемой задачи, представляет собой расширяющийся во времени полуквадрат с центром квадрата в начале пространственной системы координат.

В §5 приводятся способы определения собственных значений спектральной задачи, постановка которой связана с интегральным преобразованием по переменной уг. Собственные числа находятся точно так же, как это показано в §4 главы 1, или §3 главы 2.

В §6 решается уравнение для изображения функции ил (Уг>г) , которая, в свою очередь, является изображением функции Т(ух,уг,т). Уравнение для изображения ^,,т2(х) оказывается линейным. С помощью обратных преобразований получается формула обращения для введенных интегральных преобразований, что позволяет с учетом (29) выписать аналитическое решение задачи.

В ходе решения задачи из условия Стефана (28) с учетом (27) с использованием решения задачи (24)-(26) получаются трансцендентные уравнения относительно параметров Л, и Л2. Они оказываются равными: А, = Л2 = Л, что связано с формой подвижной границы.

В §7 обосновывается требование самосопряженности, накладываемые на уравнения для ядер введенных интегральных преобразований с помощью теорем о разложении по собственным функциям, что позволяет получить и выписать окончательное аналитическое решение изучаемой задачи.

В третьей главе приводится разработка методики численного расчета аналитического решения одномерной задачи.

В §1 с помощью рекуррентных и функциональных соотношений для ВГГФ и характеристических уравнений (15) выражения для распределения температурных полей преобразуются в компактные вычислительные формулы с хорошо сходящимися рядами:

/,(*,! ) = 1 \ ^ / , (39)

2 "" ^(1-Ь)1Г)(1,5-^)о,1У

Т~г> ®1.т = Е+ Ку )-т) есть пси-функция, „ ч (1,5) п\

(6, символ Похгаммера.

где у = •

А > ^ V1 2(а-1) £(1-6,т) (1,5-У

(40)

где символ ' »Рг ^ расшифрован в выраженшкдля собственных функций,

которые получаются после решения задачи (13)-(14), а величина является

результатом дифференцирования ^ по первому параметру. Начиная

с 7 = 4, при вычислении используются рекуррентные соотношения для производных по первому параметру от вырожденных гипергеометрических функций. Десятикратное применение этих соотношений влечет потерю примерно одной значащей цифры, что не влияет на сходимость решения в силу его достаточно быстрой сходимости.

В этом же параграфе с помощью асимптотического представления вырожденной гипергеометрической функции, когда 61г->-<», р^2 < 10 дается

оценка сходимости решений (39), (40), согласно которой «при У ->00 ряды абсолютно сходятся не хуже числового ряда X ^Г-

В §2 для данных теплофизических характеристик среды и краевых условий изучаемой задачи с использованием рекуррентных и функциональных соотношений для вырожденных гипергеометрических функций и условия Стефана приводится приближённо-аналитический метод вычисления параметра Л, который определяет скорость движения свободной границы (г) = лТг , а

также безразмерного параметра Р*. Дается оценка полученного решения при больших и малых значениях времени. Доказывается, что для больших значений времени при вычислении параметра Л разность между левой и правой частями

уравнения (4) имеет порядок малости |. Вычисляются собственные

значения, составляются соответствующие таблицы и строятся графики распределения температурного поля по пространственной и временной координатам, график зависимости положения свободной границы от времени и график распределения температурного поля в начальный момент времени.

Основные результаты работы

1. Методом разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора получены приближенно-аналитические решения нестационарных одномерной и двумерной задач теплообмена с фазовым переходом. Метод основан на конечных интегральных преобразованиях с ядрами, нахождение которых связано с постановкой и решением соответствующих спектральных задач через вырожденные гипергеометрические функции.

2. Представлен приближенно-аналитический метод построения температурных полей и определения положения свободной границы, основанный на функциональных и рекуррентных соотношениях между вырожденными гипергеометрическими функциями. Получены компактные вычислительные формулы, содержащие быстро сходящиеся ряды. Установлено,

_со

что на бесконечности они абсолютно сходятся не хуже числового ряда 3.

л=1

Численные эксперименты показывают, что в зоне промерзания для получения значения температуры в градусах Цельсия с относительной погрешностью, не превышающей 0,0005, достаточно четырех слагаемых, а в зоне охлаждения -восьми слагаемых. Исследовано поведение решения при малых и больших значениях времени г. При больших значениях времени погрешность определения скорости движения свободной границы для полученного решения

имеет порядок малости .

3. В зависимости от скорости движения свободной границы собственные значения спектральных задач находятся тремя различными методами, два из которых асимптотические, а два из них сочетаются с численными методами. При необходимости возможно использование вторичной асимптотики. Методы отличаются тем, что собственные функции выражаются через вырожденные гипергеометрические функции, функции параболического цилиндра, а также функции Эйри.

, 4. Усовершенствован численный метод при нахождении спектральной функции на основе вырожденных гипергеометрических функций, функций параболического цилиндра, функций Эйри и их асимптотических представлений с использованием программной системы «Maple».

Публикации по теме диссертации в изданиях из перечня ВАК

1. Зайиуллин, Р.Г. Об одном аналитическом подходе к решению одномерной задачи переноса тепла со свободными границами / Р.Г. Зайнуллин // Изв. Вузов. Математика. - 2008. - №2. - С. 24-31.

2. Зайнуллин Р.Г. Математическое моделирование процесса теплообмена с фазовым переходом / Р.Г. Зайнуллин // Вестник УГАТУ. Сер. Управление, информатика, вычислительная техника. - 2009. - №2 (35). - С. 265-279.

Публикации в других изданиях

1. Зайнуллин Р.Г. Решение одной задачи переноса тепла при наличии движущихся границ / Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев // Функционально-дифференциальные уравнения: материалы IX Уральской региональной конференции / Уфа. -УАИ, 1989.-С.35

2. Зайнуллин Р.Г. Решение одной двумерной задачи переноса тепла со свободными границами / Р.Г. Зайнуллин // Актуальные проблемы математики. Математические методы в естествознании : межвуз. науч. сб. / Уфа.-УГАТУ, 1999. - С.120-125.

3. Зайнуллин Р.Г. Плоская нестационарная задача теплообмена с фазовым переходом для полуполосы/ Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев, Р.Г. // Моделирование, вычисление, проектирование в условиях неопределенности: труды м/н научной конференции / Уфа. - УГАТУ, 2-5 фев. 2000. - с.227-231.

4. Зайнуллин Р.Г. Об одном приложении метода ВГГП. / Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев, Р.Г. Самигуллина // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей : межвузовский научный сборник / Уфа. -УГАТУ, 2000. №18- С.120-125.

5. Зайнуллин Р.Г. Одномерная задача теплообмена с фазовьм переходом при движущемся источнике холода / Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев // Актуальные проблемы математики. Математические модели современного естествознания: межвуз. науч. сб. / Уфа. - УГАТУ, 2002. - С.69-72.

6. Зайнуллин Р.Г. Решение одномерной простанственной задачи теплообмена со свободными границами I Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев, Р.Г. Самигуллина // Электромеханика, электротехнические комплексы: межвуз. науч. сб. / Уфа. - УГАТУ, Институт механики УНЦ РАН, 2002. - С. 13 8-141.

7. Зайнуллин, Р.Г. Решение одной пространственной задачи переноса тепла при наличии движущихся границ по одномерной схеме. / Р.Г. Зайнуллин, М.Н. Шафеев, Р.Г. Самигуллина // Здравоохранение Башкортостана. Научно-практическая конференция, посвященная Году здоровья и 70-летию БГМУ. Материалы конференции. - 2002. - Спецвыпуск №3. -С.311-314.

8. Зайнуллин Р.Г. Об одном аналитическом решении одномерной задачи переноса тепла со свободными границами/ Р.Г. Зайнуллин // Актуальные проблемы математики. Математические модели современного естествознания: межвуз. науч. сб. / Уфа. - УГАТУ, 2004. - С.144-147.

9. Зайнуллин Р.Г. Решение одной одномерной задачи переноса тепла с фазовым переходом. / Р.Г. Зайнуллин, Р.Г. Самигуллина // Сборник материалов Уфимской м/н математической конференции посвященной памяти А.Ф.Леонтьева /Уфа. - ИМВЦ, 2007. -Т1, - С.96.

10. Зайнуллин Р.Г. Об одном аналитическом подходе к решению одномерной задачи теплообмена с движущимися границами. / Р.Г. Зайнуллин // Дифференциальные уравнения и смежные проблемы: труды м/н научной конференции 24-28.06.08,/ Стерлитамак - Уфа, Гшгем, 2008. - Т1, - С. 242.

11. Зайнуллин Р.Г. Аналитическое решение одномерной задачи теплообмена с фазовым переходом / Р.Г. Зайнуллин, Р.Г. Самигуллина // Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования: материалы III м/н научной конференции / Воронеж - Научная книга, 2009. -4.1,-С. 216.

12. Зайнуллин Р.Г. Об аналитическом подходе к решению одномерной задачи переноса тепла с движущимися границами / Р.Г. Зайнуллин // Математическое моделирование и краевые задачи: труды шестой Всероссийской научной конференции с международным участием / Самара - Сам. ГТУ., 2009. - С.121-124.

13. Зайнуллин Р.Г. Об одном аналитическом подходе к решению двухфазной задачи Стефана с ограниченной областью теплового влияния/ Р.Г. Зайнуллин // Математическое моделирование и дифференциальные уравнения: вторая м/н научная конференция / Минск. - Институт математики HAH Беларуси, 2009. - 4.1, - С.138-139.

ЗАЙНУЛЛИН Рифат Гильметдинович

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА СО СВОБОДНЫМИ ГРАНИЦАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 25.11.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. - отт. 1,0. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 482

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул.К.Маркса, 12

ВВЕДЕНИЕ.

Анализ работ по теме исследования.

1. Метод тепловых потенциалов.

2. Метод функций Грина.

3. Метод обобщенных рядов.

4. Метод функциональных преобразований.

5. Метод дифференциальных рядов.

6. Метод автомодельных преобразований.

7. Другие методы.

Глава 1. ОДНОМЕРНАЯ ДВУХФАЗНАЯ ЗАДАЧА ТЕПЛООБМЕНА

С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ С ОГРАНИЧЕННОЙ

ЗОНОЙ ТЕПЛОВОГО ВЛИЯНИЯ.

1. Постановка задачи.

2. Нахождение собственных функций и закона движения свободной границы.

3. Вывод формулы для нормирующих множителей.

4. Определение собственных значений.

5. Построение температурного поля.

6. Анализ полученного решения.

Глава 2. ДВУМЕРНАЯ ОДНОФАЗНАЯ ЗАДАЧА ТЕПЛООБМЕНА

С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ.

1. Постановка задачи

2. Нахождение собственных функций по первой пространственной координате и закона движения свободной границы на горизонтальной оси.

3. Определение собственных значений по первой пространственной координате.

4. Нахождение собственных функций по второй пространственной координате и закона движения свободной границы.

5. Определение собственных значений по второй пространственной координате.

6. Построение температурного поля.

7. Анализ полученного решения.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ОДНОМЕРНОЙ ЗАДАЧИ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ РАЗЛОЖЕНИЯ ПО СОБСТВЕННЫМ ФУНКЦИЯМ САМОСОПРЯЖЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬ

НОГО ОПЕРАТОРА.

1. Вывод вычислительных формул и оценка решения.

2. Построение графиков.

Выводы и заключения.

Аналитический подход при решении краевых задач теплообмена в* системах с фазовым переходом и со свободными границами относится к числу труднейших проблем в современной аналитической теории математической физики, и эти проблемы нуждаются, во всесторонних и глубоких теоретических исследованиях. Вследствие зависимости положения характеристического раздела области от времени к этому классу задач неприменимы классические методы дифференциальных уравнений математической физики. Так, например, оставаясь в рамках этих методов, не удается совместить решения уравнения теплопроводности с движением свободной границы. Предлагаемые диссертационные исследования являются продолжением теоретических, исследований, посвященных изложенным проблемам современной аналитической теории математической физики.

В работе изучаются одномерная двухфазная»задача Стефана с границами, перемещающимися по идентичному закону (с точностью до постоянного множителя), и двумерная однофазная задача Стефана. Задачи преобразуются к области с неподвижными границами с неоднородной правой частью и переменными коэффициентами в исходном уравнении, но с однородными краевыми условиями, и далее, для решения преобразованных задач строится конечное интегральное преобразование по каждой пространственной координате с неизвестным ядром, нахождение которого связано с постановкой и решением соответствующей спектральной задачи; причем собственные функции выражаются через вырожденные гипергеометрические функции (ВГГФ), а собственные числа в зависимости от величины введенного безразмерного параметра находятся тремя различными способами, два из которых асимптотические, а два — сочетаются с численными методами. При слишком больших значениях названного параметра асимптотика может быть использована повторно. Новый подход в развитии интегральных преобразований в конечном счете приводит к получению формулы обращения, что позволяет выписать приближенно-аналитическое решение задачи.

Актуальность. Краевые задачи для уравнений параболического типа в нецилиндрических областях являются предметом необозримого числа исследований, охватывая все новые содержательные математические объекты и все большее число самых разнообразных приложений. Наличие движущихся границ вносит серьёзные трудности в попытках получить аналитические решения такого рода задач, и поиск подходов для этих целей продолжается, и более того, находится в самом начале этого пути. В этом смысле тема диссертационного исследования является актуальной по существу.

Многие задачи теплообмена, широко используемые* в гидромеханике, физике, технике, химической технологии и др. связаны с процессами затвердевания или плавления. Исследования таких задач принимают всё более неоценимое значение во многих отраслях народного хозяйства -машиностроительной, автомобильной, авиационной промышленности; в развитии сырьевой базы металлургической, топливной, химической промышленности; при сооружении гидроэлектростанции, метрополитенов, баз и хранилищ различного назначения. Проблема совершенствования технологических процессов в данных отраслях промышленности неизбежно приводит к задачам интенсификации процессов механической обработки материалов, а это требует выявления влияния режимных, технологических и конструктивных факторов на тепловое состояние изделий. Например, для повышение надежности и безопасности функционирования летательных аппаратов необходима информация о внутреннем температурном режиме вдоль всего ланжерона с учетом фазового переход, происходящего в период изготовления изделия, поэтому роль теоретических исследований в этой области очень велика.

Строительство многих подземных объектов осуществляется в сложных метеорологических и гидрогеологических условиях. Это связано с тем, что работы ведутся в водоносных грунтах в районах Крайнего Севера и Антарктиды, и проведения строительства осложняется процессами промерзания и оттаивания грунта. Успешное проведение этих работ невозможно без понимания Тепловы процессов, происходящих в зоне вечной мерзлоты. Поэтому задача построения температурных полей для таких процессов весьма актуальна и имеет большое практическое значение.

Цель работы. Целью диссертационной работы является построение и исследование математической модели, адекватно описывающей процессы нестационарного теплообмена с фазовым переходом.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

1. Получение приближенно-аналитического решения изучаемых задач нестационарного теплообмена с фазовым переходом.

2. Доведение полученного приближенно-аналитического решения до компактных вычислительных формул с хорошо сходящимися рядами с помощью функциональных и рекуррентных соотношений и асимптотических представлений для* вырожденных гипергеометрических функций.

3. Оценка сходимости алгоритма численного расчета.

Научная новизна.

1. Предложена новая математическая модель процесса нестационарного теплообмена с фазовым переходом со специальными начальными условиями в постановке задачи, обеспечивающими возможность применения интегральных преобразований.

2. Впервые получено приближенно-аналитическое решение одномерной и двухмерной задач Стефана в неавтомодельных постановках методом разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора с доведением до числовых результатов для одномерной задачи.

3. Развита теория интегральных преобразований на основе вырожденных гипергеометрических функций.

Теоретическая и практическая ценность. Результаты работы представляют теоретический- интерес для специалистов^ занимающихся в областях моделирования, процессов, связанных с. фазовыми переходами.- Они могут быть использованы, при- решении соответствующих, задач как аналитическими и численными методами.

Получены формулы вычисления! нормирующих множителей исходя из свойств уравнениявторого порядка.

Применение полученных результатов представляет значительный практический интерес. Например; задача об образовании' льда имеет чрезвычайно большое значение как в геофизике, так и при производстве льда; в последнее время большое внимание уделяется' вопросу затвердевания отливок; изучение охлаждения больших масс изверженных горных пород имеет большое значение в геологии и т.д.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается обоснованностью, математической модели процесса фазового перехода, вытекающей из общей теориш математической физики и данных натурного** эксперимента, применением аналитических методов, основанных на общей схеме метода разделения переменных и интегральных преобразований. Корректность численной схемы обусловлена проверкой её сходимости.

Апробация работы и* публикации. Результаты работы опубликованы в 15 научных статьях (2 из них в изданиях, рекомендованном ВАК, 4 в материалах конференций). Вклад соавторов публикации равнозначен. Список публикации по теме диссертации приведен в конце автореферата. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждались:

- на конференции молодых учёных БФАН СССР "Исследования по математике, физике, механике и процессам управления" (Уфа, 1987г.);

- на IV Уральской региональной конференции "Функционально-дифференциальные уравнения и их приложения" (Уфа, 1989г.);

- на III Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998г.); на-международной научной конференции "Моделирование, вычисление, проектирование в условиях неопределенности" (Уфа, 2000г.); на научно-практической конференции, посвящённой году здоровья^ и 70-летию БГМУ (Уфа; 2002г.);

- на международной математической конференции, посвященной памяти А.Ф. Леонтьева.(Уфа, 2007г.);

- на международной научной конференции "Дифференциальные уравнения и сложные проблемы" (Стерлитамак, 2008г.);

- на III международной научной, конференции' "Современные проблемы прикладной' математики и математического моделирования" (Воронеж, 2009г.);

- на VI Всероссийской научной4 конференции с международным участием "Математическое моделирование и кривые задачи" (Самара, 2009г.);

- на II международной научной конференции "Математическое моделирование и дифференциальные уравнения" (Минск, 2009г.);

- на научных семинарах кафедры дифференциальных уравнений Уральского,. Башкирского, Куйбышевского, Саратовского, Казанского, Московского госуниверситетов, института математики с ВЦ- УНЦ РАН, Стерлитамакского филиала Уфимского БГПУ (1990-2000г.г.). Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новая математическая модель процессов нестационарного теплообмена с фазовым переходом, описываемые уравнениями в. частных производных параболического типа со специальными краевыми условиями, задаваемыми на свободных и фиксированных границах.

2. Приближенно-аналитическое решение одномерной и двухмерной задач нестационарного теплообмена с фазовыми переходами, основанное на методе разложения по собственным функциям самосопряжённого дифференциального оператора, выражающимися через вырожденные гипергеометрические функции.

3. Численная схема описания температурных полей и вычисления скорости движения свободной границы на основе приближённо-аналитического метода с использованием функциональных, рекуррентных и асимптотических соотношений для вырожденных гипергеометрических функций.

4. Асимптотические и численные методы нахождения спектральной функции, основанные на использовании специальных функций, параметры которых зависят от собственных чисел: это вырожденные гипергеометрические функции, функции параболического цилиндра и функции Эйри.

Классическим примером проблемы, связанной с решением уравнения теплопроводности в области, граница которой или ее часть вследствие имеющего место фазового перехода перемещается по неизвестному ранее закону, является задача о плавлении твердого тела, которое в начальный момент времени находится при температуре фазового перехода и заполняет полупространство 0 < к < X, а в области 0 < х < к это же вещество находится в жидкой фазе, где имеет место некоторое начальное распределение температуры ф(х) > 0; ф(/г) = Тп - температура плавления. На неподвижной границе х = 0 задается тепловой поток или температура. Требуется найти распределение температуры в жидкой фазе и движение поверхности раздела фаз. Задачи подобного типа возникают при изучении различных процессов, связанных с фазовыми превращениями, таких как, например, плавление или затвердевание, кристаллизация, испарение, диффузионные процессы и другие.

Так как на движущейся поверхности происходит фазовый переход, то на ней задается дополнительное условие специального вида. Последнее обстоятельство делает задачу существенно нелинейной даже в том случае, когда уравнение, описывающее физические процессы в среде, и остальные граничные условия линейны.

Используемый метод решения задач для- уравнения теплопроводности с подвижной границей, который для краткости принято называть методом ВГГП, основан на идеях профессора М. Н. Шафеева, изложенных в,работах [92]-[95]. Этот метод, подобно методам интегральных преобразований по пространственным- переменным, основывается на возможности разложения решения как элемента некоторого гильбертова пространства по собственным функциям соответствующего краевой задаче-оператора Штурма-Лиувилля.

Теоретической основой разложения по собственным функциям некоторой спектральной задачи является спектральная теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. Весьма общие результаты по- спектральному разложению дифференциальных операторов, получены в работах [55], [60]-[62] и др. В работах [73] путем предельного перехода даны основные теоремы решения в* регулярном» и сингулярном случаях, исследован спектр. Одним из естественных конструктивных подходов можно назвать метод Э: Ч. Титчмарша [79], [80].

Автор выражает большую благодарность и глубокую признательность доктору технических наук, профессору М. Н. Шафееву за постоянную поддержку и за постоянное внимание к данной- работе, докторам физико-математических наук, профессорам А. В. Жиберу за руководство работой над диссертацией, Г.Т. Булгаковой, а также признательность участникам семинаров кандидату физико-математических наук- А. М. Абдрахманову и др. за ряд полезных советов и рекомендаций.

АНАЛИЗ РАБОТ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Классическая линейная задача теплопроводности для областей простой конфигурации и стандартных краевых условий может быть решена с помощью хорошо разработанных и известных аналитических методов.

Введение дополнительных факторов, таких как условность формы тела, движение границ области и т.п., приводит к необходимости разработки специального математического аппарата, который, как правило, дает приближенное решение задачи и оказывается эффективным только в определенной ситуации. Решение уравнения теплопроводности в такого рода задачах включает случаи; когда движение границ области задано, а также случаи, когда это движение требуется определить из дополнительных условий задачи (задача Стефана).

С математической точки зрения краевые задачи теплопроводности в области с движущейся границей принципиально отличны от классических. Вследствие зависимости характеристического размера области переноса теплоты от времени к этому типу задач в общем случае не применимы методы разделения переменных и интегральных преобразований Фурье, так как, оставаясь в рамках классических методов математической физики, не удается согласовать решение уравнения теплопроводности с движением границы области теплопереноса. Попытки осуществить такое согласование приводили уравнение теплопроводности в конечном счете к бесконечной системе совокупных дифференциальных уравнений 1-го порядка с заданными^ начальными условиями, что представляло определенное неудобство в числовой реализации полученных решений.

Точные решения задач подобного типа удавалось получить с помощью удачных догадок, искусственных приемов, причем для весьма ограниченного числа случаев движения границы (линейного или параболического) и для частного вида граничных условий (постоянных и I рода) [47]. С другой стороны, на этих задачах при весьма их общей постановке отрабатывались классические методы решения дифференциальных уравнений математической физики и их модификаций: тепловых потенциалов, контурного интегрирования, функций Грина, обобщенных рядов, дифференциальных рядов, продолжений, «мгновенных» собственных функций Гринберга, а также методы, основанные на использовании интегральных, интегродифференциальных или обыкновенных дифференциальных уравнений, асимптотические и численные

46]. Эти методьь будут рассмотрены ниже более подробно. При этом точные решения аналитическимшутем удалось получить лишь для простейших законов движения? границы, а именно,^ равномерного и параболического:. Всякие-попытки; получить» аналитическим путем точное решение: краевой, задачи-обобщенного типа; в области с границей, движущейся; по произвольному, закону, приводили к системе интегральных уравнений Вольтерра II рода [86], разрешить^ которую не удавалось, вследствие сложности ядер уравнения системы. Устанавливались лишь качественные результаты для такого рода системы,,доказывались существованиерешенияи его единственность [46];, [86], [108].

Решение этой проблемы значительно? продвинулось. вперед в 70-х годах после выхода в свет серии фундаментальных работ чл.-корр. АН СССР F. А. Гринберга с сотрудниками [14], [15], [48], [69];, [89]'. [90]; Им, было* получено функциональное преобразование, переводящее краевую задачу теплопроводности ; обобщенного* типа, в подвижную систему координат, в которой преобразованное: уравнение теплопроводности допускало бы точное, решение классическим- методомфазделения переменных для весьма широкого класса новых законов движения границы, при, соответствующих граничных условиях .

В дальнейшем^; [50] было получено точное решение первой обобщенной краевой задачи в, конечной области с границей, движущейся по» произвольному закону в декартовой, цилиндрической и; сферической (радиальный случай) системах координат. Для полуограниченной области точное решение удалось получить при любом виде граничных условий, включая и случай произвольной зависимости коэффициента внешнего теплообмена от времени в законе Ньютона на границе, движущейся также по произвольному закону.

Что же касается второй и третьей краевых задач обобщенного вида, то их решение во многих случаях приводится, в конечном счете, к классическим задачам, но с переменными коэффициентами в граничном условии III рода

23], [81]. Постановка рассматриваемых в- главе задач теплопроводности в общем случае состоит в следующем. Пусть П - нецилиндрическая область в фазовом пространстве (п 4- 1) измерений (п - координат и I - времени, t > 0), сечение которой плоскостью-характеристикой t — const > 0 представляет собой пространственную область Gt (конечную или частично ограниченную) п измерений с границей St, зависящей от времени t. Пусть п - внешняя нормаль к границе (направлена изнутри Gy), a P(xj- точка п-мерного пространства Gt. Требуется найти в области Г2 дважды непрерывно дифференцируемое по пространственным координатам (лг19.,л:и) и непрерывно дифференцируемое по времени t решение Т = уравнения ы п xjy J

Г-непрерывна изнутри в области GyQ (t = 0), Р eGt,t> 0,

Т(Р,0) = \[/(Р), Р G GtQ ,а на боковой поверхности St непрерывна, в каждой ее точке (St) имеет предельное значение нормальной производной и удовлетворяет граничному условию: а3 -cp(P,i), t > 0.

Набор а{ 2?з определяет вид краевой задачи.

В декартовой системе координат область (0^2 гДе Уг (0 ~ законы одного класса, во многих случаях может быть сведена к области [0,у(?)] путем введения подвижной системы координат z = x — y-[{t) с соответствующим изменением исходного типа задачи. Заметим также, что с помощью несложных преобразований переменное по координате начальное распределение температуры можно свести к нулевому с соответствующим

-а1ЯШ+агПР, о on изменением граничных функций [54]. При этом характер краевой задачи остается тем же.

В отношении каждой из краевых задач обобщенного типа в области с движущейся границей возникают следующие вопросы [46]: существование решения, единственность решения, устойчивость решения.

Рассмотрим более подробно традиционные аналитические методы решения указанного класса задач.

Выводы и заключения

1. Методом разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора получены приближенные аналитические решения нестационарных одномерной и двумерной задач теплообмена с фазовым переходом. Метод основан на конечных интегральных преобразованиях с ядрами, нахождение которых связано с постановкой и решением соответствующих спектральных задач через ВГГФ. Установлено, что свободная граница движется по параболическому закону. Для одномерной задачи при данных краевых условиях и теплофизических характеристиках среды положение свободной границы определяется соотношением ^(т) =0.512950"3 7т в Международной системе СИ единиц физических величин. Значение параметра А, когда т = 0, совпадает с результатом работы Г. Гребера, С. Эрка, У. Григулль, опубликованный для двухфазных задач Стефана с однофазным начальном состоянием среды при условии, если температура в промерзшем слое меняется по линейному закону.

2. Представлен приближенно-аналитический' метод построения температурных полей и определения положения свободной границы, основанный на функциональных и рекуррентных соотношениях между вырожденными гипергеометрическими функциями. Получены компактные вычислительные формулы, содержащие быстросходящиеся ряды, которые

Численные эксперименты показывают, что в зоне промерзания для получения значения температуры в градусах Цельсия с относительной погрешностью, не превышающей 0,005, достаточно четырех слагаемых, а в зоне охлаждения - восьми слагаемых. Исследовано поведение решения при малых и больших значениях времени Т. При больших значениях

00 на бесконечности абсолютно сходятся не хуже числового ряда времени погрешность определения скорости движения свободной границы 1 ^ для полученного решения имеет порядок малости О —¡= .

-JtJ

3. В зависимости от скорости движения свободной границы собственные значения находятся тремя различными методами, два из которых асимптотические, а два из них используются совместно с численными методами. При необходимости возможно использование вторичной асимптотики. Способы отличаются тем, что собственные функции выражаются через специальные функции с различным числом параметров, зависящих от собственных значений. Это вырожденные гипергеометрические функции, функции параболического цилиндра, а также функции Эйри.

Как видно из (3.1.2) и (3.1.6), нами получены компактные вычислительные формулы, и они содержат ряды, которые хорошо сходятся, что является очень удобным при построении температурных полей. Аналогично одномерному случаю тем же самым способом можно было бы построить температурное поле и для двухфазной задачи, но при этом объем излагаемого материала заметно увеличится. Числовые результаты для двухмерной задачи получаются аналогично одномерной задаче, только решения будут содержать двойные ряды.

1. Абрамович, М. Справочник по специальным функциям. / М. Абрамович, И. Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

2. Авдонин, Н.А. Математическое описание процессов кристаллизации. — Рига: Зинатне, 1980. 180 с.

3. Арсенин, В.Я. Методы математической физики и специальные функции. М.: Наука, 1984. - 384 с.

4. Ахиезер, Н. И. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. -М.: Наука, Т.1, 1977.-415 с.

5. Базалий, Б. В. Задача Стефана для уравнения Лапласа с учетом кривизны свободной границы // Укр. мат. ж., 1997. -49. №10. - С. 1299-1315.

6. Базалий, Б. В. О регулярности решения задачи со свободной границей дляуравнения utко хх ' > 1/ Б. В. Базалий, Н. В. Краснощек // Алгебраи анализ, 2000. 12. - №2. - С. 100-130.

7. Бейтмен, Г. Высшие трансцендентные функции. / Г. Бейтмен, А. Эрдейн. -М.: Наука, ч.1. 1973. - 294 е.; ч.2. - 1974. - 295 с.

8. Березанский, Ю. М. Разложение по собственным функциям самосопряженных операторов. — Киев: Наукова думка, 1965. — 798 с.

9. Бижанова, Г. И. О задачах со свободными границами для параболических уравнений второго порядка / Г.И. Бижанова, В.А. Солонников // Алгебра и анализ, 2000. т. 12. - №6. - С. 98-139.

10. Бородкин, М. А. Двухфазная контактная задача Стефана // Укр. мат. ж., 1995.-47.-№2.-С. 158-167.

11. Бородкин, М. А. Существование глобального классического решения в некоторой нелинейной параболической задаче со свободными границами // Доп. Нац. АН Украиш, 1999Г- №6. С. 7-12.

12. Гребер, Г. Основы учения о теплообмене. / Г. Гребер, С. Эрк, У. Гршулль ИЛ. - М.: 1958. - 566 с.

13. Гринберг, Г. А. О некоторых точных решениях уравнения Фурье, для-изменяющихся со временем областей. / Г. А. Гринберг, В; А. Косс // Прикл.матем. и мех., т.35. —№3. 1971.-С. 759-760.

14. Гринберг, Г. А. О решении задач диффузионного типа- для расширяющихся или сжимающихся областей,. форма которых меняется со временем без соблюдения подобия. / Г. А. Гринбёрг, В*: А. Косс // Прикл.матем;,и мех., т.ЗЗ. №4. - 19691- С. 755-756.

15. Гринберг, Г. А. О движении- поверхности раздела фаз в задачах Стефанского типа. / Гринберг Г.А., Чёкмарева ОМ:'// Журнал техн.физ., т.60: — №10. — 1970.-С. 2025-2031.

16. Гринберг, Г. А. О решении обобщенной;задачи Стефана о промерзании жидкости, а также родственных, задач- теплопроводности, диффузии- и других. // Журн.техн.физики, т.37. №9.- 1967. - С. 1598-1606.

17. Данилюк, И. И; О задаче Стефана. // Успехи матем. наук, т.40. вып.5. — 1985.-С, 133-185.

18. Зайнуллин, Р. Г. Решение одной задачи переноса тепла методом ВГГП. / Р. Г. Зайнуллин, М. Н; Шафеев. Деп. в ВИНИТИ 23.11.88. - №7030-В89. — Уфа: УАИ; 1989. -11с.

19. Зайнуллин, Р. Г. Решение одной нестационарной задачи Стефана методом ВГТП для несимметричной области. / Р. Г. Зайнуллин, М. Н.

20. Шафеев. Деп. в ВИНИТИ 19.11.90. - №5821-В90. - Уфа: УАИ, 1990. -18 с.

21. Зайнуллин, Р. Г. Решение одной- задачи переноса; тепла при наличии; движущихся границ. / Р. Г. Зайнуллин, И. А. Акимов, М. Н. Шафеев -Деп; в ВИНИТИ 26.03.91. №1207-В91. - Уфа: УАИ, 1991.-7 с.

22. Зайнуллин, Р. Б. Решение; одной сопряженной? задачи: теплообмена методом интегральных преобразований:. / Р. Г. Зайнуллин, И. А. Акимов- Дет в ВИНИТИ 26.03.91 №1308-В91 - Уфа: УАИ, 1991. - 5 с.

23. Зайнуллищ Р. Г. Решение одной двухслойной задачи теплообмена со свободными границами; / Р. Р. Зайнуллин, И; А. Акимов* М. Н. Шафеев- Деп. в ВИНИТИ-26Ю3.91. №1309^391 - Уфа: УАИ; 199Г. - 6 с.

24. Зайнуллин, Р. Г. Об одном приложении метода ВГГП. / Р. Г. Зайнуллин, М. Н. Шафеев. Деп. в ВИНИТИ 22.07.94. - №1944-В94. - Уфа: УГАТУ, 1994.-6 с.

25. Зайнуллин, Р. Р. Решение одной плоской нестационарной задачи' Стефана при обобщенных условиях. / Зайнуллин, М< Н. Шафеев. Деп. в ВИНИТИ 27.03.97. - №980-В97. - Уфа: УГАТУ, 1997. - 9с.

26. Зайнуллин, Р. Г. Решение одной двумерной задачи; переноса тепла со свободными; границами. // Актуальные проблемы математики; Математические методы в естествознании : Межвуз. науч. сб; — Уфа: УГАТУ, 1999. С. 120-125.

27. Зайнуллин, Р. Г. Об одном приложении метода ВГГП. / Р. Г. Зайнуллищ М. Н. Шафеев, Р. Г. Самигуллина // Межвузовский научный сборник

28. Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Уфа: УГАТУ , 20001- С. 120-125.

29. Зайнуллин, Р. Г. Об одном аналитическом подходе к решению одномерной1 задачи теплообмена с движущимися границами. // Трудым/н научной конференции. 24-28.06.08, г.Стерлитамак Уфа: Гилем, 2008, Т1.-242 с.

30. Зайнуллин, Р. Г. Об одном аналитическом подходе к^ решению одномерной задачи переноса-тепла со свободными границами. // Изв. Вузов. Математика, №2, 2008. - С. 24-31.

31. Зайнуллин, Р. Г. Математическое моделирование процесса теплообмена с фазовым переходом // Вестник УГАТУ. — Сер. Управление, информатика, вычислительная техника. Т. 13, №2(35), 2009 С. 265-279.

32. Ильин, В. А. Спектральная теория дифференциальных операторов. Самосопряженные дифференциальные операторы. М.: Наука, 1991.-366 с.

33. Калиев, И. А. Некоторые задачи линейной термоупругости в теории фазовых переходов Гинзбурга-Ландау. // Прикладная механика и техническая физика. 2003. -Т.44. -№6(262). С. 140-147.

34. Калиев, И: А. Задача Стефана как коэффициентная обратная задача. / И. А. Калиев, Э. В. Вагапова // Современные проблемы физики и математики: Труды Всероссийской научной конференции, Стерлитамак, 16-18сент., 2004, т. 1. Уфа, 2004. - С. 43-49.

35. Каменемостская, С. Л. О задаче Стефана. // Матем.сб. — т.53. №4. -1961.-С. 489-514.

36. Карташов, Э. М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985 - 480 с.

37. Карташов, Э. М. Аналитические методы решения краевых задач уравнения теплопроводности в области с движущимися границами. / Э. М. Карташов, Б. Я. Любов // Изв.АН СССР, серия Энергетика и транспорт. №6. - 1974. - С. 83-111.

38. Карташов, Э. М. Метод обобщенного интегрального преобразования при решении уравнения теплопроводности в области с движущимися границами. // Инж.-физ. журнал т.52. - №3. - 1987. - С. 495-505.

39. Карташов, Э. М. Метод функций Грина при решении краевых задач уравнения теплопроводности обобщенного типа. // Изв. АН СССР, «Энергетика и транспорт». №2. — 1979. - С. 108-116.

40. Карташов, Э. М. Термокинетика процессов хрупкого разрушения полимеров в механических, температурных и диффузионных полях. // Автор.дисс. на соиск.уч.степ.док.физ.-мат. наук.Л., ИБС АН СССР, 1982.-54 с.

41. Карташов, Э. М. Аналитические методы решения краевых задач нестационарной теплопроводности в областях с движущимися границами // Изв. РАН, Сер. Энергетика, 1999. №5. - С. 3-34.

42. Карташов, Э. М. Проблема Стефана. / Э. М. Карташов, А. Г. Рубин, JI. М. Ожерелкова // Математические модели физических процессов: Сборник научных трудов 10 Международной конференции, Таганрог, 29-30 июня, 2004. Таганрог, 2004. - С. 88-92.

43. Квальвассер, В. И. Метод нахождения функции Грина краевых задач уравнения теплопроводности для отрезка прямой с равномерно движущимися границами. / В. И. Квальвассер, Я. Ф. Рутнер // Докл.АН СССР, т. 156. №6. - 1964. - С. 1273-1276.

44. Коддингтон, Е. А. Теория обыкновенных дифференциальных уравнений. / Е. А. Коддингтон, Н. Левинсон М.: ИЛ, 1958. - 474 с.

45. Костюченко, А. Г. Распределение собственных значений. / А. Г. Костюченко, И. С. Саргсян М.: «Наука», 1979. - 400 с.

46. Кошляков, Э. М. Уравнения в частных производных математической физики. / Э. М. Кошляков и др. М.: Высшая школа, 1970. - 712 с.

47. Курант, Р. Методы математической физики. / Р. Курант, Д. Гильберт -М.: Гостехиздат, т.1, 1957. 476 с.с

48. Курант, Р. Методы математической физики. / Р. Курант, Д. Гильберт -М.: Гостехиздат, т.2, 1957. 620с.

49. Ладыженская, О. А. Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа. / О. А. Ладыженская, В. А. Солонников, Н. Н. Уральцева. М.: Наука, 1967. - 736 с.

50. Левитан, Б. М. Разложения по собственным функциям дифференциальных уравнений второго порядка. — М.: Гостехиздат, 1950. -159 с.

51. Левитан, Б. М. Операторы Штурма-Лиувилля и Дирака. / Б. М. Левитан, И. С. Саргсян-М.: Наука, 1988.- 431 с.

52. Левитан, Б. М. Введение в спектральную теорию. / Б. М. Левитан, И. С. Саргсян -М.: Наука, 1970. 671 с.

53. Лыков, А. В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978. - 479 с.

54. Люстерник, Л. А. Об автомодельных решениях некоторых уравнений с частными производными. // Вестник МГУ, мат-мех., №9, 1974. С. 4054.

55. Люстерник, Л. А. Краткий курс функционального анализа. / Л. А. Люстерник, В. И. Соболев. -М.: Высшая школа,1982. 271 с.

56. Марченко, В. А. Спектральная теория операторов Штурма-Лиувилля. -Киев: Наукова Думка, 1972. 219 с.

57. Мейрманов, А. М. Задача Стефана. Новосибирск: Наука, 1986. - 240 с.

58. Наймарк, М. А. Линейные дифференциальные операторы. — М.:. Наука, 1969.

59. Нгуен Дин Уи. Об одной задаче со свободной границей для параболического уравнения. // Вестник МГУ, мат.-мех., №2, 1966. -С.40-54.

60. Никифоров, А. Ф. Специальные функции математической физики / А. Ф. Никифоров, В. Б. Уваров М.: Наука, 1984. - 344 с.

61. Олвер, Ф. Введение в асимптотические методы и специальные функции. -М.: Наука, 1978.-375с.

62. Олейник, О. А. Об одном методе решения общей задачи Стефана. // Докл.АНСССР, 1960. -т.135. -№5, С. 1054-1057.

63. Плеснер, А. И. Спектральная теория линейных операторов. М.: Наука, 1966.-624 с.

64. Прудников, А. П. Интегралы и ряды. Дополнительные главы. / А. П. Прудников, Ю. А. Брычков, О. И. Маричев. М.: Наука, 1986. -800с.

65. Рубинштейн, Л. И. Проблема Стефана. Рига: Звайгзне, 1967. - 457 с.

66. Рубцов, Н. А. Численное моделирование однофазной задачи Стефана в слое с прозрачными и полупрозрачными границами. / Н. А. Рубцов, С. Д. Слепцов, Н. А. Саввинова // Прикладная механика и техническая физика, 2006. т. 47. - №3. - С. 84-91.

67. Сильченко, Ю. Т. Одна краевая задача для области с подвижной границей. // Известия вузов. Математика, 1998. №3. - С. 44-46.

68. Слейтер Люси Дж. Вырожденные гипергеометрические функции. М.: ВЦ АН СССР, 1968. - 178 с.

69. Титчмарш, Э. Ч. Разложения по собственным функциям, связаны с дифференциальными уравнениями второго порядка. -М.:ИЛ,т.Г, 1960.-279 с.

70. Титчмарш, Э. Ч. Разложения по собственным функциям, связаны с дифференциальными уравнениями второго порядка. -М.: ИЛ, т.2, 1961.-556 с.

71. Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики. / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский -М.: Наука, 1966. 724 с.

72. Уиттекер, Э. Т. Курс современного анализа. / Э. Т. Уиттекер, Д. Н. Ватсон-М.: Физматгиз, т.1, 1963. -335 с.

73. Уиттекер, Э. Т. Курс современного анализа. / Э. Т. Уиттекер, Д. Н. Ватсон- М.: Физматгиз, т.2, 1964. — 467 с.

74. Ушакова, В. И. Поведение решений однофазной задачи Стефана при больших значениях времени. / В. И. Ушакова, А. В. Клочков // Известия вузов. Математика, 2006. № 11. - С. 55-60.

75. Федорюк, М. В. Асимптотические методы для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1983. -352 с.

76. Фридман, А. А. Уравнения с частными производными параболического типа. М.: Мир, 1968. 427 с.

77. Хакимов, X. Р. Замораживание грунтов в строительных целях. М: Госстройиздат, 1962. - 257 с.

78. Хуснутдинова, Н. В. О поведении решения задачи Стефана при неограниченном возрастании времени. Динамика сплошной среды. -Институт гидродинамики СО АН СССР. — Новосибирск: Наука, вып.2, 1969.-С. 168-1177.

79. Цыбин, А. М. К решению задачи Стефана. // Журнал техн. физики, т.64, 1974.-С. 2441-2444.

80. Чекмарева, О. М. О движении поверхности фазового перехода при больших временах в осесимметричной задаче Стефана. // Журнал техн. физики, т.65, №2, 1975. С. 209-213.

81. Чекмарева, О. М. Решение задачи Стефана, когда движение поверхности фазового перехода происходит по закону VZ // Журнал техн. физики, т.64, №10, 1974. С. 2043-2050.

82. Шафеев, М. Н. Об одном аналитическом подходе к решению задачи теплообмена с фазовым переходом. Деп. в ВИНИТИ 25.11.86. -per. №8457-В86. - Уфа: УАИ, 1986. - 14 с.

83. Шафеев, М. Н. Плоская нестационарная задача Стефана для полуполосы. Деп. в ВИНИТИ 14.05.87. - рег.№3350-В87. -Уфа: УАИ, 1987.- 15 с.

84. Шафеев, М. Н. Решение одной нелинейной задачи методом ВГГП. // Известия вузов. Математика, 1980. -№12(233). С.73-75.

85. Шафеев, М. Н. Решение одной плоской задачи Стефана методом ВГГП. // Инж.-физ. журнал, 1978. т.34. - №4. - С. 713-722.

86. Янке, Е. Специальные функции. / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. -М.: Наука, 1977. 342 с.

87. Baconneau Oliver. Smooth solutions to a class of free boundary parabolic problems. / Oliver Baconneau, Alessandra Lunardi. // Trans. Amer. Math. Soc, 2004. v. 356. - №3. - P. 987-1007.

88. Bertsch Michiel, Dal Paso Roberta, Franchi Bruno // Math.Ann. 1992. - 294. -№3. —P. 551-578

89. Borisovich Andrei. Symmetry-breaking bifurcations for free boundary problems. / Andrei Borisovich, Avner Friedman. // Indiana Univ. Math.J., 2005. -v.54. -№3. -P. 927-947.

90. Buchholr, H. Die Konbeente hypergeometrische Funktion. Springer-Verlag, Berlin, 1953.-187 p.

91. Busher, S. Developing the solution of Stefan's problem. / S. Busher, V. Georgiev // Докл. Бълг.А.Н. 1994. - 47. -№3. -P. 9-12.

92. Stefan J. Uber einige Probleme der Theorie der Warmelcitung. Sitzber. Wien. Akad. Mat. naturwiss. 1989. b.98. - 11 a. - P. 473.

93. Calor Gabriel. Asymptotic expansion of the solution of an interfase problem in a polygonal domain with thin layer. / Gabriel Calor, Martin Costabel, Monique Dauge, Gregory Vial. // Asymptotic Anal. 2006. 50. -№1-2. - P. 121-173.

94. Cheng K.C. Историческое развитие теории теплоты и термодинамики: обзор и некоторые наблюдения. Historical development of the theory of heat and thermodinamics: Review and some observations. // Heat transfer Eng., 1992.-13.-№3.-P. 19-37. Англ.

95. Dancer, E. N. A uniqueness theorem for a free boundary problem. / E. N. Dancer, Yihong Du. // Proc. Amer. Math. Soc, 2006. -v.134. -№11. -P. 3223-3230.

96. Friedman, A. Variational principles and free-boundary problems. New-York: A Wiley-Interscience publ., 1982.-709 p.

97. Frolova, E. V. One-phase Stefan problem with vanishing specific heat. // Международная конференция «Дифференциальные уравнения исмежные вопросы», посвященная памяти И.Г. Петровского. Сборник тезисов. -М.: МГУ, 2007, С, 93-94. Англ.

98. Kortea, М. К. On the geometry of the free boundary of the one-phase Stefan problem // Int.Conf. Differ. And Funct. Differ. Equat. Moscow, Aug.16-21, 1999: Abstr. Б.М., 1999 - С.И.

99. Moraczewski Krzystof. Решение задачи типа Даниловской для полупространства с подвижной границей. Rozwiazanie zagadnienia tupu Danilowskiej dla polprzestrzeni sprezystej zrachomym. Pr.IPPTPAN., 1988. -№47. P. 1 — 47. - Пол.

100. Morikawa Kichizo. Анализ. теплопроводности в телах с движущейся границей. Analysis of heat condution fields with moving boundary./ Kichizo Morikawa, Kensuke Kawashimo. // Bull JSME, 1984. 27. - №231. -P. 1938-1943 (англ.).

101. Mucha Piotr Bogustaw. Stefan problem in 2D case. Colloq. Math., 2006. -105.-№1.-P. 149-169.

102. Tokuda Naoyuki. Решение-задачи Стефана с использованием разложения Лагранжа-Бюрманна. Stefan problem by Lagrange-Burmann expansions. -Adv.Phase Change Heat Transfer: Proc.Int. Synp.Chongqing,May 20-23,1988.-Oxford, 1989.-P. 115-119.-Англ.

103. Wilson, D. G. Moving boundary problems. / D. G. Wilson, A. D. Solomon, P. T. Boggs Proc. Symp. and Workshop, Galtinburg, Term., Sept., 1977. -New York: Academic Press, 1978.