научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА В ПЛОСКОСТИ С ТРЕЩИНОЙ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ ВНУТРЕННЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Математика

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА В ПЛОСКОСТИ С ТРЕЩИНОЙ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ ВНУТРЕННЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 4, с. 695-703

УДК 517.9

ИЗУЧЕНИЕ СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА

В ПЛОСКОСТИ С ТРЕЩИНОЙ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ ВНУТРЕННЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

© 2015 г. А. В. Глушко, Е. А. Логинова, В. Е. Петрова, А. С. Рябенко

(394006 Воронеж, Университетская пл., 1, ВГУ) e-mail: mail@angl.ru, vangog2007@list.ru, vera_petrova@math.vsu.ru, alexr-83@yandex.ru

Поступила в редакцию 22.02.2011 г.

Доказано существование решения задачи, моделирующей стационарное распределение тепла в неоднородной плоскости с трещиной, вычислены явные представления сингулярных членов асимптотического разложения теплового потока в окрестности концов трещины. Библ. 10.

Ключевые слова: трещина, тепловой поток, сингулярность, асимптотики.

DOI: 10.7868/S0044466915040055

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время внимание многих исследователей привлекают математические модели, описывающие физические свойства функционально-градиентных материалов (ФГМ) с трещинами. ФГМ называют материалы, свойства которых изменяются вдоль некоторого направления. Существует большое количество работ, посвященных разнообразным задачам, возникающим при исследовании ФГМ, обзор этих работ можно найти в [1]. В частности, активно исследуются задачи, моделирующие как стационарное, так и нестационарное распределение температуры в ФГМ, причем особый интерес представляет исследование решений в окрестности трещины, так как именно эта часть материала наиболее подвержена разрушениям (см. [2]).

В настоящее время достигнут прогресс в численном моделировании ФГМ. Так, в [3] для численного исследования ФГМ использовались методы конечных элементов, граничных интегральных уравнений и их различные модификации. Численные методы исследования ФГМ, опирающиеся на применение интегральных уравнений, основаны на использовании явных фундаментальных решений соответствующих дифференциальных уравнений в частных производных. Однако такие фундаментальные решения построены только для простейших случаев, когда свойства материала изменяются экспоненциально (см. [4]), что, естественно, является существенным ограничением.

Большой цикл работ (см., например, [5] и список литературы в этой работе) трактует трещину в ФГМ как линию на границе области, в которой рассматривается смешанная задача для эллиптического уравнения с переменными коэффициентами. Именно на этой линии происходит смена типа краевых условий. Авторам данных работ удалось получить оценку асимптотики решения этой задачи по расстоянию до линии трещины.

В данной работе рассматривается задача, моделирующая стационарное распределение температуры в плоскости с трещиной при переменном коэффициенте внутренней теплопроводности.

Коэффициент внутренней теплопроводности задается функцией G(x2) = ek('%2>, где функция к(%2)

может быть отличной от функции kx2 + к1 (к = const Ф 0, к1 = const).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ В работе рассматривается дифференциальное уравнение

д^Щх^ + dU(x2,x2> + к'(x2)dU(х1,x2> = 0, x = (x1, x2) 6 U2V, (1)

5x1 dx2 dx2

где I = [-1; 1] х {0}, дополненное граничными условиями

Щхъ+0) - Щхь-0) = е 2 9о(х1>, (2)

+ Щ)щхь +0) - - Шщх,-0) = е(3)

дх2 2 дх2 2

где х1 е (-1;1).

Определение. Решением задачи (1)—(3) назовем функцию Ц(х1,х2), принадлежащую

С 2( К 2\I) и

удовлетворяющую уравнению (1) в области К 2\ I, для которой в смысле главного значения при х1,

принадлежащем (-1;1), выполнены граничные условия (2), (3), и такую, что функции Ц(х1,х2),

дЩхь х2) дЩхь х2) дЩхь -х2) ,

х2— 1 2 и —4 1 "--^—^ ограничены в окрестности трещины I.

дх2 дх2 дх2

Отрезок I = [-1; 1 ] х {0} моделирует трещину, условия (2) и (3) описывают соответственно скачок температуры и нормального теплового потока на берегах трещины. Необходимость выбора именно таких краевых условий для данной задачи обсуждалась в [6].

Целью работы является доказательство существования решения задачи (1)—(3) и построение точных представлений сингулярных членов асимптотических разложений решения Ц(х1, х2) и его

производных х2, к = 1,2, в окрестностях концов трещин, т.е. асимптотических разложений

дхк

в точках (±1, 0) е К2.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УТВЕРЖДЕНИЯ

Основным методом решения поставленной задачи будет служить установление связи между решением задачи (1)—(3) и решением вспомогательной задачи с постоянным коэффициентом, которая будет описана ниже.

Вспомогательная задача состоит из уравнения

д2й(х,,х2) д2й(х,,х2) , дй(х,,х2) п , . „2, ,

-—2—— + —v 12' 2 + k—v 1 2 = 0, х = (х1; х2) 6 U \l, (4)

dxj дх2 дх2

дополненного граничными условиями

й(х1,+0) - й(х1, -0) = #о(х1>, (5)

+ кй(х1,+0) - - кй(х1,-0) = 91(х]), (6)

дх2 2 дх2 2

где х1 е (-1;1).

Отметим, что краевая задача (4)—(6) изучалась в [6], в которой также можно найти достаточный обзор литературы по данной теме. Задача (4)—(6) моделирует стационарное распределение температуры в неоднородной плоскости с трещиной. Неоднородность материала описывается

функцией к(х2) = G0ehC2, где G0 = const Ф 0, k = const ф 0.

Поскольку результаты настоящей работы развивают и используют результаты из [6], приведем краткую схему исследования задачи (4)—(6).

k%2

С помощью замены й(хьх2) = e 2 У(хъх2) уравнение (4) сводится к уравнению

k 2

AFKх2) - — ¥(хьх2) = 0, х g U\l, (7)

4

граничные условия (5), (6) принимают вид

У(хь +0) - Ях,-0) = ^j), (8)

дУ(хь+0) -дУ(х1,-0) = д^), (9)

дх2 дх2

где х! е (-1; 1).

Определение. Пусть д(х1) принадлежит пространству С([-1; 1]). Через д(х1)5[_1;1](х1,х2) будем обозначать обобщенную функцию из Б'(Ш2), действующую по следующему правилу: для любой функции ф(х1, х2), принадлежащей пространству Б (Ш2), имеет место соотношение

1

(д(х1)5[_1;1](х1, х2), ф(х1, х2>) = | д(ст])ф(ст1,0)^ст1 •

-1

Если д0(х1) и д1(х1) принадлежит пространству С ([-1; 1]), то стандартным образом (см. [7]) задачу (7)—(9) можно свести к обобщенной задаче Коши:

~ к 2 ~ д Д%1,х2) - —У(хьх2) = д1(х])8[_1;1](х1,х2) + — (до(х])5,ххА (10)

4 дх2 ' ;'

1 2

к гт 2

Замечание 1. Фундаментальным решением оператора А--в Ш является функция Е(х1, х2) =

4

= —— К0 (1^1 |х|), где К0(1) — функция Макдональда (см. [8]). 2п \2 /

Ниже без доказательства будет приведено несколько утверждений, относящихся к задаче (7)—(9), основная часть которых содержится в [6], где можно прочитать методику их доказательства (некоторые из результатов улучшены по сравнению с результатами из [6]).

Утверждение 1. Пусть д0(х1), д1(х1) е С ([-1 ;1 ]), тогда решение задачи (10) можно представить в виде У(хь х2) = р51(х1, х2) + У0(х1, х2), где

1

Уо(хь х-) = Е(хь х-) * д- (до(х])5 [_11](х1, хз)) = | К1 ('¡(ъ-а^+Щ)

2 _1 V-

—. а-

х22 + (х1 - -1)2

Чх,,х2) = Е(хъх2) * д1(х])5[_1;1](х],х2) = -2П |Ко (((х1 - Ст])2 + х22)д1(ст])аст1,

-1

а К1(1) — функция Макдональда (см. [9]).

3 ~

Утверждение 2. Пусть д0(х1),д1(х1) е С ([-1;1]), тогда функция У(хьх-) из утверждения 1 является решением задачи (7)—(9) и У(хьх2) е С"(Ш2\/).

Утверждение 3. Пусть д0(х]),д1(х1) е С ([-1;1]), а функция У(х1,х2) из утверждения 1, тогда для

функций дУ(хъх2), дУ(хьх2> при (х1,х2) I справедливы следующие представления:

дх1 дх2

дУ(хьх7) _ _до(1) х7 + до(-1) х7 _

дх1 2п (1 - х])2 + х2 2п (1 + х])2 + х2

_ д1(1)1п[(1 - х^2 + х2] + д!(_^1п[(1 + х^2 + х2] + Щхъ х)

где Я1(х1, х2) — ограниченная на любом компакте функция;

дУ(хь х7) = - до(1) 1 - х1 _ до(-1) 1 + х1 + дх2 2п (1 - х1)2 + х^ 2п (1 + х1)2 + х^

+ д^1п[(1 - х1)2 + х—] - д0(_^1п[(1 + х1)2 + х2] + Я2(хьх2), где Я2(хь х2) — ограниченная на любом компакте функция.

СВЕДЁНИЕ ЗАДАЧИ (1)-(3)

Перейдем к изложению результатов настоящей работы и схемам их доказательства.

kfe)

С помощью замены U(x1,х2) = e 2 ¥(х1,х2) задачу (1)—(3) можно свести к задаче

A¥(xbх2) - кк-(х2)¥(х1,х2) = 0, х g [2\l, (11)

4

¥(х„+0) - ¥(хь -0) = ?0(х]), (12)

д¥(х',+0) -д¥(хь-0) = Ж), (13)

дх2 дх2

где х1 g (-1; 1), а k2(х^ = (к' (х^)2 + 2k" (х2).

В дальнейшем будем считать, что функция к(х-) принадлежит пространству C 4( [); существуют константы б1 и б2 такие, что при х2, принадлежащем [R, выполнены оценки s2 > (к'(х2))2 + + 2к" (х2) > б1 > 0, а функции q0(x1) и q1(x1) принадлежат пространству C ([-1; 1]).

Замечание 2. Очевидно, что функция к(х2) = кх2, где к = const ф 0, удовлетворяет сформулированному выше условию. При таком выборе к(х2) задача (11)—(13) переходит в задачу (7)—(9). Помимо функции кх2, данному условию, к примеру, будет удовлетворять функция вида

С^ + С2, х2 < -h, к(х2) = \ F(x2) + с1х2 - F' (-h)x2 + c2 - F(-h) - F' (-h)h, - h < х2 < h,

(F'(h) + c1 - F' (-h))x2 + c2 + F(h) - F(-h) - F' (-h)h - F' (h)h, х2 > h,

где h = const > 0, c2 = const, c1 = const > max (F' (-h) - F' (x2)), c1 Ф 0, а

%2^[-h; h]

F"(x2) =

0, x2 <-h,

exp[-h2(h2 - x^) ], - h < x2 <-h, 0, x2 > h.

Решение задачи (11)—(13) будем искать в виде ¥(хъх2) = и(х1,х2) + Ж(хъх2), где функция и(х1,х2) является решением задачи

Аи(х1,х2) - кк—(—)и(х1,х2) = 0, х е К2\/, (14)

4

и(х1, +0) - и(х1,-0) = д0(х]), (15)

ди(х',+0) -ди(х',-0) = д(х), (16)

дх2 дх2

где х1 е (—1; 1), а функция W(x1,х2) является решением задачи

4

W(x1,+0) - W(x1,-0) = 0, (18)

AW(x1,х2) - к^х2)^(х1,х2) = 0.25(it2(х2) - к2(0))й(х1,х2), х g [2\l, (17)

dW(xh +0) 3W(xh-0) = 0, (19)

дх2 dx2

где х1 с (-1; 1).

Отметим, что задача (14)—(16) совпадает с задачей (7)—(9) при к = ¿(0).

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВОВАНИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ (1)-(3), ПОСТРОЕНИЕ АСИМПТОТИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ОКРЕСТНОСТИ КОНЦОВ ТРЕЩИНЫ

Лемма 1. Пусть функция и(х1, х2) является решением задачи (14)—(16), тогда и(х1, х2) е Ж2к (О), где

к е Ы, а О — любая область из К2 такая, что расстояние от О до I больше некоторого числа 5 > 0.

Доказательство. Покажем, что и(х1,х2) е Ж2к(К2\бЯ(0)) при достаточно большом Я. Из утверждений 1—3 следует, что решение задачи (14)—(16) задается формулой

и(х1,х2) = -2П |к0 - Ст])2 + х2)Ч1(о№<31 +

-1

1

Г К1 [ - Ст!)2 + х2 ]-,——х2-- ^0(СТ])^СТ1.

' ^ 2 ^ V х2 + (х1 -СТ1)2

4п

При достаточно большом Я и любых натуральных I и у (см. [9]) имеем

^^^ = Е /(х1 - х?"0Кп0 [к(0^(х1 -а)2 + х2^ (( - ст])2+ х2+

1 2 п0, п1 _1

1

|(х1 - а])а"1 х^1

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком