научная статья по теме ПРИБЛИЖЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ ЗАДАЧ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПРИ ЗАДАННОМ ПОТОКЕ Математика

Текст научной статьи на тему «ПРИБЛИЖЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ ЗАДАЧ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПРИ ЗАДАННОМ ПОТОКЕ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 1, с. 110-120

УДК 519.633

ПРИБЛИЖЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ ЗАДАЧ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ПРИ ЗАДАННОМ ПОТОКЕ1-*

© 2007 г. Н. А. Кудряшов, М. А. Чмыхов

(115409 Москва, Каширское шоссе, 31, МИФИ) e-mail: kudryashov@mephi.ru; chmykhov@mephi.ru Поступила в редакцию 10.10.2005 г.

Рассматриваются одномерные (плоская, цилиндрически-симметричная и сферически-симметричная) задачи нелинейной теплопроводности при заданном потоке тепла в начале координат в виде степенной зависимости от времени. Температура среды в начальный момент времени предполагается равной нулю. Получены приближенные решения задач. Обсуждается сходимость полученных решений. Библ. 12. Фиг. 3. Табл. 2.

Ключевые слова: нелинейная теплопроводность, асимптотические методы решения, одномерные задачи, приближенные методы решения, точные методы решения, лучистая теплопроводность.

Задачи нелинейной теплопроводности активно изучаются уже более пятидесяти лет. Широкое распространение они получили в связи с решением задач о распространении тепловой волны, образующейся при ядерном взрыве (см. [1]). Впервые точное решение задачи о распространении тепла от мгновенного точечного источника найдено в [2]. Похожие задачи возникают при рассмотрении процесса фильтрации газа в пористой среде (см. [3], [4]), поскольку математическое описание этих процессов такое же, как в [1].

Обзор результатов, относящихся к задачам нелинейной теплопроводности, можно найти в [5], [6]. Однако точные решения многих задач нелинейной теплопроводности до сих пор не получены. Известно, что для ряда задач нелинейной теплопроводности скорость распространения тепла является конечной (см. [1]-[7]). На основе этой идеи недавно в [8] были получены приближенные решения одномерной задачи на полубесконечной прямой при заданной температуре на границе в виде степенной и экспоненциальной зависимостей. Оказалось, что полученные решения по существу могут рассматриваться как точные, поскольку максимальное отклонение решения от точного составляет для большинства случаев десятые и сотые доли процента.

В данной работе получены приближенные решения одномерных задач нелинейной теплопроводности при заданном потоке в начале координат в виде степенной зависимости от времени.

Нелинейное уравнение теплопроводности, описывающее распространение тепла с помощью механизма лучистой теплопроводности, имеет вид

Здесь и(г, 0 - температура среды, г - координата, ^ - время, п - показатель степени (п > 0), который характеризует лучистую теплопроводность, и к - коэффициент, характеризующий тепловой поток, V = 0, 1, 2 характеризует симметрию задачи. При V = 0 имеем плоскую задачу, при V = 1 -цилиндрически-симметричную и при V = 2 - сферически-симметричную задачу соответственно.

Пусть при г = 0 задается поток тепла, зависящий от времени по степенному закону

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

r > 0, t > 0.

(1.1)

t > 0.

(1.2)

Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект В1213).

В начальный момент температуру среды полагаем равной нулю:

u(r, t = 0) = 0, r > 0. (1.3)

Численное решение задачи (1.1)—(1.3) не представляет существенных трудностей, если использовать разностные методы (см. [9]). Однако очень важно найти точные или приближенные решения этой задачи, что и является целью данной работы.

Известно, что уравнение (1.1) и условия (1.2), (1.3) допускают группу преобразований неоднородного растяжения (см. [10]-[12]) и, следовательно, задача (1.1)—(1.3) является автомодельной.

Сделаем в (1.1) замену

1/n

u = v ;

тогда уравнение (1.1) примет вид

vt = — vvr + кvvrr + Кv2, r > 0, t > 0. (1.4)

r n

Граничное и начальное условия для (1.4) имеют вид

lim(rv v1/n= -q0ntk, t > 0, (1.5)

r ^ 0V. д r J

v(r, t = 0) = 0, r > 0. (1.6)

Далее рассмотрим решение задачи (1.4)—(1.6). Решение будем искать в виде

v(r, t) = Atmf(0), 0 = Br/tp. (1.7)

Подставляя (1.7) в уравнение (1.4) и полагая

p = (m + 1)/2, кАВ2 = 1, (1.8)

получаем уравнение

1 л V г г m + 1

-nf 0 + 0ff 0 + 2

ff 00 + -f 0 + -Jf, + 'V^f0 - mf =0. (1.9)

Подставляя (1.7) в граничное условие (1.5) и учитывая, что

m(n + 1) _,_(m + 1 )(V - 1) _ , -+--- = k,

n2

приходим к граничному условию для (1.9) в виде

lim (Vf 1/nf 1 = -1.

(1.10)

T-»V-1 A(n +1)/n /л л л ч

q0В n = А( ) , (1.11)

е^ оу.

Второе граничное условие для уравнения (1.9) находится из начального условия (1.6):

_де — «о = о.

Постоянные А, В, т в (1.7) находятся из (1.8), (1.10) и (1.11):

п 2п 2п п п + 2 2^1

, -3 п + 2 3п + 2 3п + 2 п 3п + 2 -3 п + 2 3п + 2- п( 2к - V +1 )

А = К п , В = К ^0 п , т = п(V - 1) + 2(п + 1) •

Для плоской задачи (V = 0) значения постоянных (А = А0, В = В0, т = т0) принимают вид

п 2п 2п п + 1 п п

л п + 2 п + 2 п+2 ^ п+2 п + 2 п + 2 п(2к + 1) .. ...

Ао = К до п , Во = К ^о п , то = 4 _ (1.12)

п+2

Для случая цилиндрически-симметричной задачи (V = 1) значения постоянных (А = А1, В = В1, т = т1) выражаются формулами

п п 1 п п

. пГГ пГГ п -2 -2( п + 1 ) -2( п + 1 ) кп

А1 = до п , В1 = к до п , т1 = —г.

п +1

Для случая сферически-симметричной задачи (V = 2) постоянные (А = А2, В = В2, т = т2) также находятся из (1.8), (1.10) и (1.11):

п 2п 2п п + 1 п - 2 п - 2 1

, 3п + 2 3п + 2 3п + 2 п -3п + 2 3п + 2 3п + 2- п(2к - 1 )

А2 = к до п , В2 = к до п , т2 = Г, г.

3 п + 2

Учитывая выражения (1.8), (1.10) и (1.11), имеем следующую задачу одномерной нелинейной теплопроводности при заданном потоке в начале координат:

//ее + 1А + V//е + ^^е/е - mv/ = 0, (1.13)

= -1, (1.14)

/(е — «о = 0. (1.15)

Таким образом, задача нелинейной теплопроводности сводится к краевой задаче (1.13)—(1.15) для обыкновенного дифференциального уравнения.

Найдем приближенные решения уравнения (1.13) с условиями (1.14), (1.15).

2. МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ (1.13), (1.14), (1.15) И НЕКОТОРЫЕ

ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

Предположим, что скорость распространения теплового фронта в задаче нелинейной теплопроводности (1.13)—(1.15) при п > 0 и при нулевом начальном условии является конечной; тогда у решения задачи (1.13)—(1.15) найдется точка е = а, где температура среды обращается в нуль: /(а) = 0, но производная не равна нулю: ёк//ёек Ф 0, к = 1, 2, .... Эти предположения соответствуют тому, что ищется обобщенное решение задачи.

Идея метода заключается в том, чтобы построить асимптотические решения задачи (1.13)—(1.15) вблизи точек е = 0 и е = а и сшить решения в некоторой точке е = е0, принимая во внимание равенство значений/(е) и потока в этой точке и минимизируя погрешность асимптотических решений.

Вначале построим формальное решение задачи (1.13)—(1.15) при произвольном а.

Будем искать решение уравнения (1.13) в виде

N

ЛО) = ХР i(a - г.

(2.1)

Из (2.1) определяются производные

dfs

0 = а

= 2в2, ..., Ц

0 = а

= i! (-1 m.

(2.2)

0 = а

Поскольку f(a) = 0, то в0 = 0. После подстановки (2.2) в (1.9) уравнение приводится к системе линейных алгебраических уравнений. Для ее решения использовалась система аналитических вычислений Maple 7. Коэффициенты разложения имеют вид

Pj = 2 an (m + 1), _ 1 (m + Vnm + vn -1 )n

в2 = J

1

i = 0

в 1 п (упш + V« + п + 2т + пт )Р<3'т'п)

Рз = Т) - "т"^——— —- , (2.3)

12 (п +1 )2 а( 1+2 п)(т + 1)

/ I I I ^ I \ т-»^, т, п)

1 п (V пт + V п + п + 2 т + пт) Р4 4 48 а2 ( п + 1) 3 (1 + 2 п) ( т + 1 )2 ( Зп + 1)'

в 1 п ^пт + V п + п + 2 т + пт) Р^'т'п) 5 240 а3 ( 3 п + 1 ) (т + 1 ) 3 (1 + 2 п )2 (п + 1 )4 ( 1 + 4п)' Здесь использованы следующие обозначения:

Р^'т'п) = (2vm + 2V)п2 + (Vт + V)п +1- т, Р<* т'п) = (6 V2 + 12 V2 т + 6 V2 т2 + 12 vm2 + 24 vm +12 v)«4 + + (5 V2 + 26 V т2 + 5 V2 т2 + 10 V2 т + 26 V + 52 V т) п3 + (14 vm2 + 2 v2m + V2 + v2m2 + 22 V + 36 V т)) + + (1 + 4vm2 + 4V + 8Vт + 5т2 - 6т)п + 3 - 10т + 7т2, р5У,т,п) = (720 v2m + 48 V3 т3 + 864V т2 + 864vm + 48 V3 + 720v2m2 + 288 V т3 + 240V2 т3 + + 144 V3 т + 240V2 + 288 V + 144 V3 т2) п7 + (2100 V2 т + 228 V3 т + 228 v3m2 + 2100 v2m2 + 76 v3m3 + + 5328 V т2 + 700V2 т3 + 1176 V + 1176 V т3 + 76 V3 + 5328 V т + 700V2) п + (800V2 + 132 V3 т2 + + 2040V + 132 V3 т + 1800vm3 + 5640V т2 + 2272V2 т2 + 44 V3 + 2336V2 т + 736V2 т3 + 44 V3 т3 + + 5880V т) п + (4442V т2+ 11V3 + 1159 V2 т2 + 1310 vm3 + 377v2m3 + 33 v3m2+ 1918 V + 405 V2 + + 5050vm + 1187V2т + 33 V2т + 11V3т3 )п4 + (1020V + 3 v3m2 + 271 v2m - 102т3 + 2360vm + + 3 V3т + 91V2 - 6 + v3m3 + V3 + 1764Vт2 + 150т2 + 424vm3 + 89v2m3 + 269v2m2 - 42т )п3 + + (345 vm2 + 22v2m - 211 т - 317т3 + 625 V« + 7 + 521 т2 + 8V2 + 20V2т2 - 25 Vт3 + 255 V + + 6v2m3)п2 + (19V + 29Vт2 - 303т3 + 31 - 269т - 33Vт3 + 81Vт + 541 т2)п +

+ 12+152т2 - 82т3 - 82т. Из граничного условия (1.14) и из уравнения получаем асимптотическое решение при 0 —► 0:

1 Г 1 Л\п/(п + 1)

/0(0) =

01-¥-С|| , V* 1,

п IV- 1

п +',п ГСП""" , V =1.

п \0

Здесь С - постоянная, которая находится путем сшивки асимптотического решения при 0 —► 0 и решения в виде ряда при 0 —► а.

Из приведенных выше формул находятся некоторые точные решения задачи (1.13)—(1.15).

В случае vnm + v« + п + 2 т + пт = 0 слагаемые при / > 3 в (2.3) зануляются и при этом находятся точные решения уравнения (1.13):

1 / , ач , 1 (т + vnm + v« -1 )п, Ач2 ^ .ч п (0) = ~ап(т +1 )(а- 0) + -^-—-¿-(а- 0) . (2.4)

2 4 п + 1

При V = 0, т = —п~2 точное решение имеет вид

/Г(0) = 1 ап(т + 1 )(а - 0) + 4(а - 0)2. (2.5)

2 4 п + 1

п

В случае V = 1 имеем т = —+1 и точное решение имеет вид

А 1)/пч 1 у , АЧ , 1 (т + пт + п -1 )п. Ач2

/)'(е) = -ап(т +1 )(а - е) + т^----Ца - е) . (2.6)

2 4 п + 1

Полагая V = 2, находим т = -_ 3п . и решение

3 п + 2

А2),л\ 1 у , 1\/ п\ , 1 (т + 2пт + 2п -1)п, Ач2 ^ „ч

/ (е) = ^ап(т +1 )(а - е) + -^-—-Ча - е) . (2.7)

2 4 п + 1

Решения (2.4)-(2.7) не удовлетворяют граничному условию (1.14). Однако они могут быть использованы при построении решения задачи Коши для уравнения (1.1).

Из (2.4) следует дополнительное точное решение, которое при т = 1 и V = 0 имеет вид

/Г(е) = ап(а - е). (2.8)

Это решение удовлетворяет граничному условию (1.14).

3. ПРИБЛИЖЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ПЛОСКОЙ ЗАДАЧИ (1.13)—(

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