Краевые задачи для уравнений параболического типа с различными граничными условиями

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В технических приложениях часто встречаются узлы, которые могут подвергаться тепловой нагрузке. Тепловая нагрузка может привести к изменению ряда свойств материала, что приведет к выводу устройства из строя, его повреждению или утрате важных эксплуатационных свойств. Чтобы уменьшить тепловую нагрузку, можно наносить на поверхности защитные покрытия. Таким образом, это сводится к задаче о теплопроводности многослойных материалов, свойства теплопроводности которых меняются скачком. В данной работе была поставлена первая краевая задача для уравнения теплопроводности комбинированного стержня. Было получено аналитическое решение данной задачи в виде ряда Фурье и произведена оценка полученного ряда. На основе полученного решения и оценки было произведено моделирование процесса распространения тепла в комбинированном стержне и получены графики, иллюстрирующие этот процесс.

Полный текст

Boundary value problems for the heat equation are one of the important sections of the equations of mathematical physics. In addition to the classical versions of problems for a homogeneous rod, cases where the rod is inhomogeneous are also interesting. Solving these problems may be of interest for areas related to multilayer structures. For example, such areas are medicine [1] or manufacturing [2] (manufacturing various multilayer parts for which they experience large temperature differences during operation).

Statement of the problem and construction of an analytical solution

Find the temperature distribution along a finite rod composed of two homogeneous rods touching at the point ???? = ????0, with characteristics ???? and ????, respectively. The lateral surface of the rods is thermally insulated, and the ends of the component rods are maintained at zero temperature. The temperature at the initial time in the component rods is different.

The mathematical model of the problem has the form: find the function ,  which is a solution to the equation

Luuta2uxx=0,  0<x<l0,  0<t<T,utb2uxx=0,  l0<x<l,  0<t<T,                          1

and satisfies the conditions

ux,0φ1x,  0<x<l0,φ2x,  l0<x<l,                                                2                 

u0,t=ul,t=0,  0<t<T,                                         3

ul00,t=ul0+0,t.                                                  4

Using the method of separation of variables and the gluing condition, an analytical solution was obtained in the form of a series:

ux,t=ll0xn=1Dnx, tl0lxn=1Bnx, txl0l+l0ll0n=1Cnx, tn=1Anx, t+

+l0ll0n=1Bnx, tn=1Cnx, tn=1Anx, tn=1Dnx, txl0l+l0ll0n=1Cnx, tn=1Anx, t                 5

where

    n=1Anx, t=n=121nπneaπnl02tsinπnl0x                                  6

  n=1Bnx, t=n=1Bneaπnl02tsinπnl0x=                                     

=2l0n=1eaπnl02tsinπnl0x0l0φ1ssinπnl0sds                                   7

n=1Cnx, t=n=12πnebπnll02tsinπnxl0ll0                                 8

n=1Dnx, t=n=1Dnebπnll02tsinπnxl0ll0=

=2ll0n=1ebπnll02tsinπnxl0ll0l0lφ2ssinπnsll0ds                9

 

Estimation of the remainder of the series and the number of terms

Let us estimate series (6) - (9) from above. As a result of the assessment, we obtain the following expressions:

RNA=l02a2π3N2teaπNl02t 

RNB=l03a2π3N2teaπNl02t 

RNC=ll02b2π3N2tebπNll02t 

RND=2ll02b2π3N2tl0+lπebπNll02t  

 

These estimates are needed in order to calculate how many terms must be summed to obtain a more accurate solution. The tables show the calculations for two given accuracy ε, different t and the following parameter values:  a=1;b=0,3;l0=1,7;l=3.

From the tables it follows that with this choice of parameters, the series converge quickly and, having summed up about 300 and 400 terms, we already achieve good accuracy ε = 0.001 and ε = 0.00001, respectively.

Charting

For plotting, a program was written in the C # programming language using the .NET Framework 4.5 framework in the Microsoft Visual Studio 2019 development environment. The program is a windowed application with fields for entering parameters , time interval T, and buttons, when clicked, the graphs of the dependence  are drawn for a fixed value of t. The simulation results are presented in the figures 1-3.

It can be seen from the figures that a jump in temperature occurs at the point of discontinuity. In this case, the gluing condition is not violated, since the jump does not occur instantly. It can also be seen that as t approaches the end of a given time interval, the value of the function approaches zero, which indicates the establishment of the process.

Conclusion

So, an analytical solution to problem (1) - (4) was obtained and graphs of its visualization were constructed. Therefore, the tasks were completed, the goal of the work is achieved.

 

Table 1

The number of terms at

 

       t=1  

       t=0,1

     t=0,01

    t=0,001

  t=0,0001

          Ra 

2

4

12

36

113

           Rb

2

4

12

38

118

           Rc

3

10

29

91

287

           Rd

3

10

30

94

297

 

Table 2

The number of terms at

 

         t=1

       t=0,1

     t=0,01

    t=0,001

  t=0,0001

           Ra

2

5

16

50

156

           Rb

2

6

16

51

160

           Rc

4

13

40

126

397

           Rd

5

13

41

129

405

 

Fig. 1. Graph of u (x) at the beginning of the time interval

 

Fig. 2. Graph of u (x) at the middle of the time interval

 

Fig. 3. Graph of u (x) at the ending of the time interval

×

Об авторах

Юлиана Юрьевна Кривошеева

Самарский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: akinava.love@gmail.com

студент IV курса факультета информатики

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Наталья Александровна Слобожанина

Самарский университет

Email: slobogeanina@mail.ru

доцент кафедры иностранных языков и русского как иностранного Самарского университета

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Список литературы

  1. Барун В. В., Иванов А. П. Световые и тепловые поля в многослойной ткани кожи при лазерном облучении // Оптика и спектроскопия. 2006. Т. 100. № 1. С. 149-157.
  2. Танана В. П., Ершова А. А. О решении обратной граничной задачи для композитных материалов // Вестник удмуртского университета. 2018. Т. 28. № 4. С. 474-488.
  3. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 735 с.
  4. Сабитов К. Б. Уравнения математической физики. М.: Физматлит, 2013. 352с.
  5. Штумпф С. А., Бахтин М. А. Математические методы компьютерных технологий в научных исследованиях. СПб: НИУ ИТМО, 2012. 148 с.
  6. Документация по C#. URL: https://docs.microsoft.com/ru-ru/dotnet/csharp/(дата обращения: 20.03.2020).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета, 2020

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

Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета

Сетевое издание, журнал

ISSN 2782-2982 (Online)

Учредитель и издатель сетевого издания, журнала: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Московское шоссе, 34, 443086,  Самарская область, г. Самара, Российская Федерация.

Сетевое издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер ЭЛ № ФС 77-86495 от 29.12.2023

Выписка из реестра зарегистрированных СМИ

Устав сетевого издания

Главный редактор: Андрей Брониславович Прокофьев, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теории двигателей летательных аппаратов

2 выпуска в год

0+. Цена свободная. 

Адрес редакции: 443011, Самарская область, г. Самара, ул. Академика Павлова, д. 1, Совет молодых учёных и специалистов, каб. 513 корпуса 22 а.

Адрес для корреспонденции: 443086, Самарская область, г. Самара, Московское шоссе, 34, Самарский национальный исследовательский университет (Самарский университет), 22а корпус, каб. 513.

Тел: (846) 334-54-43

e-mail: smuissu@ssau.ru

Доменное имя: VMUIS.RU (справка о принадлежности домена)электронный адрес в сети Интернет:  https://vmuis.ru/smus.

Прежнее свидетельство – периодическое печатное издание, журнал «Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета», зарегистрировано Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Самарской области, регистрационный номер серии ПИ № ТУ63-00921 от 27 декабря 2017 г.

© Самарский университет

 

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах