Initial-boundary value problem for nonstationary heat conduction equation in a bounded domain with non-insulated lateral surface

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

This study investigates an initial-boundary value problem for a bounded domain in thermal interaction with an external medium, incorporating memory effects through the Caputo time-fractional derivative. Heat transfer through the lateral surface is modeled as a negative heat source in the governing differential equation. An a priori estimate for the solution is established. The solution is derived by using an operational method based on the Laplace transform in time.

Full Text

Введение

В настоящее время математические методы, основанные на интегро-дифференцировании дробного порядка, широко применяются при исследовании физических и химических процессов в средах с эффектами памяти и пространственными корреляциями. Как показано в работах [1–6], анализ процессов теплопереноса в средах с фрактальной структурой требует учета эффектов памяти. Их учет в рамках классических подходов приводит к появлению в дифференциальных уравнениях интегрального оператора, ядро которого отражает природу нелокальности. В подобных системах физические величины, как правило, обладают дробной размерностью. В работе [7] рассмотрены различные модели, основанные на дифференциальных уравнениях с дробными производными, а в исследовании [8] изучены процессы промерзания грунта с учетом эффектов памяти. Работы [9, 10] посвящены анализу третьей начально-краевой задачи для уравнения теплопроводности с дробной производной Капуто по времени на полуоси.  

В данной работе исследуется начально-краевая задача для уравнения теплопроводности в ограниченной области с учетом эффектов памяти при отсутствии тепловой изоляции боковой поверхности, то есть в случае теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой по закону Ньютона. При этом температура окружающей среды предполагается постоянной и равной начальной температуре. 

1. Вспомогательные утверждения

Определение [12]. Функция, задаваемая рядом
\[
W (\alpha, \beta, z ) = \sum_{k=0}^{\infty}\frac{z^k} {k! \Gamma(\alpha k +\beta)},
\]
где $\alpha$, $\beta > 0$, называется функцией Райта.

Теорема 1 [12]. Пусть функции $F(p)$ и $G(p)$ аналитичны в полуплоскости $\operatorname{Re}(p) > p_{0}$ и являются образами Лапласа функций $f(t)$ и $g(t)$ соответственно. Пусть также известно, что $F(\varphi(p)) = G(p).$ Тогда
\begin{equation*}
G(p) = F\bigl(\varphi(p)\bigr) = \int_{0}^{+\infty}f(\tau)\exp\bigl(-\varphi(p)\tau\bigr)d\tau
\end{equation*}
и выполняется равенство
\begin{equation*}
g(t) = \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{+\infty}F\bigl(\varphi(p)\bigr)\exp(tp)dp.
\end{equation*}

2. Постановка задачи

Рассмотрим ограниченную область с эффектами памяти, находящуюся в тепловом равновесии с окружающей средой при температуре $T_{0}(x)$. Таким образом, начальная температура области постоянна во всех точках и совпадает с температурой окружающей среды. В начальный момент времени границы области приводятся в контакт с окружающей средой, температура которой равна $T_{c}>T_{0}(x)$. Через боковую поверхность области происходит теплообмен со средой при температуре $T_{0}(x)$. Требуется определить распределение температуры в области в произвольный момент времени. Теплообмен между областью и окружающей средой подчиняется закону Ньютона.

При расположении начала координат в центре области, т.е. для области $D= \{(x,t):-R<x<R, 0<t\leqslant T \}$, рассматриваемый процесс описывается дифференциальным уравнением с дробной производной Капуто:
\[\begin{equation}
\tag{1}
\partial_{0t}^{\alpha}T(x,t) = a\frac{\partial^{2}}{\partial x^{2}}T(x,t)-
\frac{\beta}{\lambda h}\bigl[T(x,t)-T_{0}\bigr], \quad -R<x<R, \; t>0,
\end{equation}\]
где $\partial_{0t}^{\alpha}T(x,t) = \displaystyle \dfrac{1}{\Gamma(1-\alpha)} \int_{0}^{t}\frac{T'(x,s)}{(t-s)^{\alpha}}ds$ — частная дробная производная Капуто порядка $0<\alpha \leqslant 1$; $T(x,t)$ — температура; $a$ — коэффициент температуропроводности; $\beta$ — коэффициент теплообмена; $\lambda$ — коэффициент теплопроводности материала; $h$ — отношение площади сечения тела к его периметру. Отметим, что отношение $\beta/\lambda$ характеризует относительную интенсивность теплообмена на границе.

Вводя безразмерное время $\tau = t/t_0$, производную Капуто можно представить в виде [17]
\[
\partial_{0\tau}^{\alpha} T(x,\tau) = \frac{1}{t^{\alpha}_{0}} \frac1{\Gamma(1-\alpha)}
\int_{0}^{\tau}\frac{T'(x,s)}{(\tau-s)^{\alpha}}ds.
\]

Тогда уравнение (1) преобразуется к виду
\[\begin{equation}
\tag{2}
\partial_{0\tau}^{\alpha}T(x,\tau) = 
\bar{a}\frac{\partial^{2}}{\partial x^{2}}T(x,\tau)-\frac{\beta}{\lambda h}\bigl[T(x,\tau)-T_{0}(x)\bigr], 
\quad -R<x<R, \; \tau>0,
\end{equation}\]
где $\bar{a}=at^{\alpha}_{0}$. 

Отметим, что переход к безразмерному времени влияет только на временную переменную. 
Однако, учитывая отсутствие характерного масштаба длины в полубесконечной среде, можно воспользоваться результатами работ [10], где масштаб длины для уравнения дробной диффузии определяется как $x_{0}=\sqrt{at^{\alpha}}$ с размерностью длины [м]. При значении параметра $\alpha=1$ данный масштаб длины переходит в классический случай уравнения диффузии. На этой основе вводится безразмерная переменная подобия $\eta_{\alpha}= {x}/{\sqrt{at^{\alpha}}}$, которая при $\alpha=1$ соответствует переменной подобия Больцмана $\eta= {x}/{\sqrt{at}}$.

Для полной постановки задачи дополним систему начальными и граничными условиями:    
\[\begin{gather}
T(x, 0) = T_{0}(x), \quad T(0,\tau) = T_{c},
\\
\tag{3}
-\lambda \frac{\partial T(x,\tau)}{\partial x}\Bigr|_{x=R} + \beta \bigl[T_{c} - T(R,\tau) \bigr] = 0,
\end{gather}\]
\[\begin{gather}
\tag{4}
\frac{\partial T(x, \tau)}{\partial x}\Bigr|_{x=0} = 0.
\end{gather}\]

3. Априорная оценка решения начально-краевой задачи

Теорема 2. Пусть выполняются условия 
\[
T(x,\tau)\in C^{2,0}(D)\cap C^{1,0}(\bar{D}), \quad \partial_{0\tau}^{\alpha}T(x,\tau)\in C(\bar D).
\]
Тогда для решения задачи (2)–(4) справедлива априорная оценка
\[\begin{equation}
\tag{5}
\|T(x,\tau)\|^{2}_{0} + D^{-\alpha}_{0\tau}\|T_{x}(x,\tau)\|^{2}_{0} \leqslant M\|T_{0}(x)\|^{2}_{0},
\end{equation}\]
где $M$ — постоянная, зависящая от входных данных задачи.

Доказательство. Поскольку $\bar{a} = \mathrm{const}$, то без ограничения общности  положим $\bar{a}=1$. Умножая уравнение (2) скалярно на $T(x,\tau)$, получим
\[\begin{equation}
\tag{6}
\bigl(\partial_{0\tau}^{\alpha}T(x,\tau), T(x,\tau) \bigr) = 
\bigl(T_{xx}(x,\tau), T(x,\tau) \bigr) - 
\frac{\beta}{\lambda h} \bigl( (T(x,\tau)-T_{0}(x) ),T(x,\tau)\bigr),
\end{equation}\]
где $(g,h) =\displaystyle \int_{0}^{R} gh dx$, $\|g\|^{2}_{0}=(g, g)$ для функций, заданных на $[0, R)$. 

Используя монотонность дробного интегрирования и тождество  $2TT_{\tau}  =\frac{\partial}{\partial \tau }(T^2)$, получаем
\[\begin{multline*}
(\partial_{0\tau}^{\alpha}T(x,\tau), T(x,\tau)) = \frac{1}{\Gamma(1-\alpha)}\int_{0}^{R}T(x,\tau)\,dx\int_{0}^{t}T_{\tau}(x, t-\tau)^{-\alpha}d\tau \geqslant{} \\
{}\geqslant \frac{1}{2}(1,\partial^{\alpha}_{0\tau}T^{2}(x,\tau)) = \frac{1}{2}\partial^{\alpha}_{0\tau}\|T(x,\tau)\|^{2}_{0}.
\end{multline*}\]

Применяя интегрирование по частям и учитывая граничные условия, получаем
\[\begin{multline}
\tag{7}
\bigl(T_{xx}(x,\tau),T(x,\tau)\bigr) = \int_{0}^{R} T_{xx}(x,\tau)T(x,\tau)dx ={}
\\
{} =T(x,\tau)T_{x}(x,\tau)\bigg|_{0}^{R} - \int_{0}^{R}T_{x}^{2}(x,\tau) dx = {}
\\
{} = \frac{\beta}{\lambda}T(R,\tau)\bigl[T_{c}-T(R,\tau)\bigr] - \|T_{x}(x,\tau)\|^{2}_{0}.
\end{multline}\]

Для оценки первого слагаемого правой части равенства (7) применим неравенство Коши с $\varepsilon$ [13]:
\[\begin{multline*}
\frac{\beta}{\lambda}T(R,\tau)[T_{c}-T(R,\tau)] =  
\frac{\beta}{\lambda}\bigl( (T_{c}-T(R,\tau)), T(R,\tau)\bigr) = {}
\\
{}= 
-\frac{\beta}{\lambda} \int_{0}^{R} T^{2}(x,\tau)dx 
+\frac{\beta}{\lambda} \int_{0}^{R} T(x,0) T(x,\tau)dx \leqslant{} 
\\ 
{}\leqslant M^{\epsilon}_{1} \| T_0(x )  \|^{2}_{0} + M^{\epsilon}_{2}  \| T_0(x )  \|^{2}_{0},
\end{multline*}\]
где $M_{1}^{\epsilon} = \dfrac{\beta}{\lambda}(1+\epsilon)$, $M_{2}^{\epsilon} = \dfrac{\beta}{\lambda} \Bigl(1+\dfrac{1}{\epsilon}\Bigr)$. Таким образом,
\[
(T_{xx}(x,\tau),T(x,\tau)) \leqslant M^{\epsilon}_{1}\|T_0(x)\|^{2}_{0} + M^{\epsilon}_{2}\|T_0(x)\|^{2}_{0} =
M \|T_0(x)\|^{2}_{0}.
\]

Подставляя полученные оценки в равенство (6), получаем
\[\begin{equation}\tag{8}
\frac{1}{2}\partial^{\alpha}_{0\tau}\|T(x,\tau)\|^{2}_{0} + \|T_{x}(x,\tau)\|^{2}_{0} \leqslant M\|T_0(x)\|^{2}_{0}.
\end{equation}\]

Применяя к обеим частям неравенства (8) оператор дробного интегрирования $D^{-\alpha}_{0\tau}$ и используя лемму 2 из [13], получаем искомую оценку (5):
\[\begin{equation*}
\|T(x,\tau)\|^{2}_{0} + D^{-\alpha}_{0\tau}\|T_{x}(x,\tau)\|^{2}_{0} \leqslant M\|T_{0}(x)\|^{2}_{0}.
\end{equation*}\] $\square$

4. Решение задачи

Рассмотрим случай, когда начальное распределение температуры постоянно: $T_{0}(x) = T_{0} = \mathrm{const}$. 

Теорема 3. Пусть выполняются условия
\[
T(x,\tau)\in C^{2,0}(D)\cap C^{1,0}(\bar{D}), \quad  \partial_{0\tau}^{\alpha}T(x,\tau)\in C(\bar{D}), \quad 
 {\beta}/{\lambda} \to \infty,
\]
тогда решение задачи (2)–(4) имеет вид
\[\begin{multline*}
T(x,\tau) = T_{0} + (T_{c}-T_{0})\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1} \times {}
\\
{}\times \biggl( \frac{(2n-1)R-x}{2\sqrt{\pi}}
\int_{0}^{\infty} \frac{1}{s^{3/2}} W\Bigl(-\alpha,1,-\frac{st^{-\alpha}}{\bar{a}}\Bigr)
\exp\Bigl(-\frac{\bigl((2n-1)R-x\bigr)^{2}}{4s}-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr)ds + {}
\\  
{}+ \frac{(2n-1)R+x}{2\sqrt{\pi}}
\int_{0}^{\infty}\frac{1}{s^{3/2}} W\Bigl(-\alpha,1,-\frac{st^{-\alpha}}{\bar{a}}\Bigr)
\exp\Bigl(-\frac{\bigl((2n-1)R+x\bigr)^{2}}{4s}-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr)ds \biggr).
\end{multline*}\]

Доказательство. Решение начально-краевой задачи (2)–(4) найдем методом интегральных преобразований. Применим преобразование Лапласа по временной переменной $\tau$ к уравнению (2). Тогда после приведения подобных членов для изображения Лапласа получим обыкновенное дифференциальное уравнение
\[\begin{equation}
\tag{9}
T''_L(x,p) - \Bigl( \frac{p^\alpha}{\bar{a}} + \frac{\beta}{\lambda h}\Bigr) T_L(x,p) +
 \Bigl( \frac{p^{\alpha}}{\bar{a}}    + \frac{\beta }{\lambda h } \Bigr) \frac{T_0}{p}    = 0
\end{equation}\]
с граничными условиями
\[\begin{equation*}
-T'_L(R, p) + \frac{\beta}{\lambda} \Bigl( \frac{T_c}{p} - T_L(R,p)\Bigr) = 0, \quad T_L(0,p) = 0.
\end{equation*}\]

Характеристическое уравнение для (9) имеет вид
\[\begin{equation*}
\mu^2 - q^2(p) = 0
\end{equation*}\]
с корнями $\mu_{1,2} = \pm q(p) = \pm \sqrt{\dfrac{p^\alpha}{\bar{a}} + \dfrac{\beta}{\lambda h}}$.

Тогда общее решение уравнения (9) записывается так:
\[\begin{equation*}
T_L(x,p) = \frac{T_0}{p} + C_1 ch\bigl(q(p)x\bigr) + C_2 sh\bigl(q(p)x \bigr) ,
\end{equation*}\]
где $C_1$ и $C_2$ — постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.

Используя условие симметрии (4), получаем $C_2 = 0$. Для определения постоянной $C_1$ воспользуемся граничным условием (3):
\[
- C_1 q (p)   sh \bigl ( q(p) R \bigr) +  \frac{\beta T_c}{\lambda p} - 
\frac{\beta}{\lambda} \Bigl( \frac{T_0}{p} + C_1 ch\bigl( q(p) R\bigr)  \Bigr) = 0,
\]
что приводит к выражению
\[\begin{equation*}
C_1 =   \frac{T_c - T_0}{ p\Bigl[ ch\bigl(q(p)R\bigr) + \dfrac{\lambda}{\beta} q(p) sh\bigl(q (p)R \bigr) \Bigr] }.
\end{equation*}\]

Таким образом, решение в пространстве изображений Лапласа принимает вид
\[\begin{equation*}
T_L(x,p) = \frac{T_0}{p} + \frac{(T_c - T_0) ch\bigl(q(p)x\bigr)}{p \Bigl[ ch\bigl(q(p)R\bigr) + \dfrac{\lambda}{\beta} q (p) sh\bigl(q (p) R\bigr) \Bigr]}.
\end{equation*}\]

Рассмотрим предельный случай идеального теплового контакта, когда ${\beta}/{\lambda} \to \infty$. Тогда 
\[\begin{equation}
\tag{10}
T_L(x,p) = \frac{T_0}{p} + \frac{(T_c-T_0) ch\bigl(q(p)x\bigr)}{p ch\bigl(q(p)R\bigr)} = \frac{T_0}{p} + \frac{\varphi(p)}{\psi(p)}.
\end{equation}\]

Разложим $ch^{-1}\bigl(q(p)R\bigr)$ в ряд:
\[\begin{equation}\tag{11}
ch^{-1}\bigl(q(p)R\bigr) 
= 2\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\exp\bigl(-(2n-1) q(p) R\bigr).
\end{equation}\]

Подставляя разложение (11) в (10), получаем
\[\begin{multline*}
T_L(x,p) = \frac{T_0}{p} + \frac{T_c-T_0}{p} \bigl[ \exp \bigl(q(p)x \bigr) +\exp \bigl( -q(p)x \bigr) \bigr]
\times {}
\\
{} \times  \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}  \exp\bigl( -(2n-1) q(p) R\bigr),
\end{multline*}\]
т.е.
\[\begin{multline} \tag{12}
T_{L}(x,p) = \frac{T_{0}}{p} + \frac{T_{c}-T_{0}}{p} 
\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \bigl[ 
\exp\bigl(- q(p) \bigl((2n-1)R-x\bigr)\bigr) + {} \\ {}+
\exp\bigl(- q(p) \bigl((2n-1)R+x\bigr)\bigr)\bigr].
\end{multline}\]

Применим обратное преобразование Лапласа к выражению (12):
\[\begin{multline}\tag{13}
T(x,\tau) =  T_{0}  + (T_{c}-T_{0}) 
\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} L^{-1}\Bigl[ \frac{1}{p}  
\exp\bigl(- q(p) \bigl((2n-1)R-x\bigr)\bigr) \Bigr] + {} 
\\ 
{}+
(T_{c}-T_{0}) 
\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} L^{-1}\Bigl[ \frac{1}{p}
\exp\bigl(- q(p) \bigl((2n-1)R+x\bigr)\bigr)\Bigr].
\end{multline}\]

Для нахождения оригинала решения воспользуемся теоремой 1 и свойством свертки преобразования Лапласа. В условиях теоремы 1 положим, что
\[
\varphi(p)= q(p), \quad F(p) = \exp\Bigl(-2\sqrt{\frac{p \bigl((2n-1)R -x \bigr)^{2}}{4}}\Bigr).
\]
Учитывая, что 
\[
L^{-1}\Bigl[\sqrt{\frac{\pi}{k}}\exp\bigl(-2\sqrt{kp}\bigr)\Bigr] = \frac{1}{s^{3/2}}\exp\left(-k/s\right),
\] 
найдем
\[\begin{multline*} 
L^{-1}\Bigl[\frac{1}{p}\exp\bigl(-q(p)\bigl( (2n-1) R-x\bigr)\bigr)\Bigr] = {}
\\ 
{} = L^{-1} \biggl[ \frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}} \int_{0}^{\infty} \frac{1}{s^{3/2}}
\exp\Bigl(\frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) \cdot   \frac{1}{p} \exp\bigl( q(p) s\bigr)ds \biggr] = {} 
\\ 
{}=
\frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}} \int_{0}^{\infty} \frac{1}{s^{3/2}}
\exp\Bigl(\frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) \cdot
L^{-1}\Bigl[ \frac{1}{p} \exp\bigl(q(p)s\bigr) \Bigr]ds= {} 
\\
{}=
\frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}}\int_{0}^{\infty}
\frac{1}{s^{3/2}}\exp\Bigl( \frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) 
\times {} \hspace{3.8cm}
\\
\hspace{6.4cm}
\times{} \exp\Bigl(-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr)   L^{-1}\biggl[\frac{1}{p}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{ (-sp^{\alpha} )^{n}}{\bar{a}^{n} n!}\biggr]ds = {}
\\
{}= \frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}}\int_{0}^{\infty}
\frac{1}{s^{3/2}}\exp\Bigl(\frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) \times {} \hspace{3.8cm} 
\\ 
\hspace{6.4cm}
{}\times \exp\Bigl( -\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr)  \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-s)^n}{\bar{a}^n n!}L^{-1}\bigl[p^{\alpha n-1}\bigr]ds = {} 
\\
{}=
\frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}}\int_{0}^{\infty}
\frac{1}{s^{3/2}}\exp\Bigl( \frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) 
\times {} \hspace{3.8cm} 
\\ 
\hspace{6.4cm}
\times \exp\Bigl(-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr) 
\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-s)^{n}t^{-\alpha n}}{\bar{a}^{n}n!\Gamma(-\alpha n+1)}ds = {}
\\
{}=
\frac{(2n-1) R-x}{2\sqrt{\pi}}\int_{0}^{\infty}
\frac{1}{s^{3/2}}\exp\Bigl( \frac{-\bigl((2n-1) R-x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) 
\times {} \hspace{3.8cm}  
\\  
\times\exp\Bigl(-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr) W\Bigl(-\alpha,1, -\frac{st^{-\alpha}}{\bar{a}}\Bigr)ds.
\end{multline*}\]

Аналогичным образом найдем, что 

\[\begin{multline*}
L^{-1}\Bigl[\exp\bigl(-q(p)  \bigl( (2n-1)R+x\bigr)\bigr)\Bigr] = {}
\\
{}=
\frac{(2n-1) R+x}{2\sqrt{\pi}}\int_{0}^{\infty}
\frac{1}{s^{3/2}}\exp\Bigl( \frac{-\bigl((2n-1) R+x\bigr)^{2}}{4s}\Bigr) 
\times {}  
\\  
\times\exp\Bigl(-\frac{s\beta}{\lambda h}\Bigr) W\Bigl(-\alpha,1, -\frac{st^{-\alpha}}{\bar{a}}\Bigr)ds.
\end{multline*}\]

Подставляя полученные выражения в (13), получаем окончательный вид функции $T(x, \tau)$. $\square$

5. Выводы

В работе исследована начально-краевая задача для уравнения теплопроводности с дробной производной Капуто порядка $\alpha \in (0,1]$ в ограниченной области, учитывающая теплообмен с внешней средой через боковую поверхность по закону Ньютона. Основные результаты работы заключаются в следующем.

  1. Построена математическая модель процесса теплопереноса, включающая эффекты памяти через дробную производную Капуто и учитывающая теплоотдачу через боковую поверхность в виде отрицательного источника тепла. Доказана корректность поставленной задачи — получена априорная оценка решения, устанавливающая его устойчивость по начальным данным и граничным условиям в соответствующих функциональных пространствах.
  2. Операционным методом с использованием преобразования Лапласа получено аналитическое решение задачи для предельного случая идеального теплового контакта ($ \beta/\lambda \to \infty$). Решение выражается через специальные функции (функции Райта) и позволяет исследовать особенности формирования температурных полей в средах с памятью.

Перспективными направлениями дальнейших исследований являются построение решения для произвольных значений отношения $\beta/\lambda$, проведение вычислительных экспериментов по анализу влияния дробного параметра $\alpha$ на динамику температурного поля, а также обобщение результатов на случай анизотропных сред и нелинейных задач.

Полученные результаты открывают возможности для разработки новых эффективных методов анализа краевых задач дробного порядка с учетом сложных граничных условий.

Конкурирующие интересы. Заявляем, что в отношении авторства и публикации этой статьи конфликта интересов не имеем.
Авторский вклад и ответственность. Все авторы принимали участие в разработке концепции статьи и в написании рукописи. Авторы несут ответственность за предоставление окончательной рукописи в печать. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами.
Финансирование. Работа выполнена без привлечения финансирования.

×

About the authors

Vetlugin D. Beybalaev

Daghestan State University; Institute of Geothermal Problems and Renewable Energy Sources, Branch of the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences in Makhachkala

Author for correspondence.
Email: kaspij_03@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4881-9264
Scopus Author ID: 57198778939
https://www.mathnet.ru/rus/person42519

Cand. Phys. & Math. Sci.; Associate Professor; Dept. of Applied Mathematics; Senior Researcher; Lab. of Geothermomechanics

Russian Federation, 367000, Makhachkala, Magomet Gadzhiev st., 43a; 367030, Makhachkala, Imam Shamil Avenue, 39a

Temirlan I. Ibavov

Daghestan State University

Email: ibavov94@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-8743-4304
https://www.mathnet.ru/rus/person207622

Senior Lecturer; Dept. of Discrete Mathematics and Computer Science

Russian Federation, 367000, Makhachkala, Magomet Gadzhiev st., 43a

References

  1. Oldham K. B., Spanier J. The Fractional Calculus: Theory and Applications of Differentiation and Integration to Arbitrary Order, Mathematics in Science and Engineering, vol. 111. N.Y., Academic Press, 1974, xiii+234 pp. DOI: https://doi.org/10.1016/s0076-5392(09)x6012-1.
  2. Miller K. S., Ross B. An Introduction to the Fractional Calculus and Fractional Differential Equations. N.Y., Wiley, 1993, xiii+366 pp.
  3. Podlubny I. Fractional Differential Equations. An Introduction to Fractional Derivatives, Fractional Differential Equations, to Methods of Their Solution and Some of Their Applications, Mathematics in Science and Engineering, vol. 198. San Diego, CA, Academic Press, 1999, xxiv+340 pp. EDN: YYTYZD.
  4. Uchaykin V. V. Metod drobnykh proizvodnykh [Method of Fractional Derivatives]. Ul’yanovsk, Artishok, 2008, 512 pp. (In Russian). EDN: QJVANP.
  5. Tarasov V. E. Fractional integro-differential equations for electromagnetic waves in dielectric media, Theoret. Math. Phys., 2009, vol. 158, no. 3, pp. 355–359. EDN: LLPFCP. DOI: https://doi.org/10.1007/s11232-009-0029-z.
  6. Hristov J. The fading memory formalism with Mittag–Leffler-type kernels as a generator of non-local operators, Appl. Sci., 2023, vol. 13, no. 5, 3065. DOI: https://doi.org/10.3390/app13053065.
  7. Zhmakin A. I. Heat conduction beyond the Fourier law, Tech. Phys., 2021, vol. 66, no. 1, pp. 1–22. EDN: HWWCAD. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063784221010242.
  8. Beybalaev V. D., Aliverdiev A. A., Magomedov R. A., Meilanov R. R., Akhmedov E. N. Modeling of freezing processes by an one-dimensional thermal conductivity equation with fractional differentiation operators, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2017, vol. 21, no. 2, pp. 376–387 (In Russian). EDN: ZHJLST. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1492.
  9. Beybalaev V. D., Ibavov T. I., Aliverdiev A. A. On a boundary value problem for non-stationary heat equation with memory effects via Caputo fractional derivative, In: Mathematical Modeling and Boundary Value Problems, Proc. XII All-Russ. Sci. Conf. with Int. Part. (Samara, September 17–19, 2024), 2024, pp. 199–201 (In Russian).
  10. Beybalaev V. D., Aliverdiev A. A., Hristov J. Transient heat conduction in a semi-infinite domain with a memory effect: Analytical solutions with a Robin boundary condition, Fractal Fract., 2023, vol. 7, no. 10, 770. EDN: SDKRZX. DOI: https://doi.org/10.3390/fractalfract7100770.
  11. Samko S. G., Kilbas A. A., Marichev O. I. Integraly i proizvodnye drobnogo poryadka i nekotorye ikh prilozheniya [Integrals and Derivatives of Fractional Order and Some of Their Applications]. Minsk, Nauka i Tekhnika, 1987, 688 pp. (In Russian)
  12. Duffy D. G. Transform Methods for Solving Partial Differential Equations. Boca Raton, FL, Chapman & Hall/CRC, 2004, xvii+708 pp.
  13. Alikhanov A. A. A priori estimates for solutions of boundary value problems for fractional-order equations, Differ. Equ., 2010, vol. 46, no. 5, pp. 660–666. EDN: MXDCPJ. DOI: https://doi.org/10.1134/S0012266110050058.
  14. Pskhu A. V. Uravneniya v chastnykh proizvodnykh drobnogo poryadka [Partial Differential Equations of Fractional Order]. Moscow, Nauka, 2005, 199 pp. (In Russian). EDN: QJPLZX.
  15. Mamchuev M. O. Kraevyye zadachi dlya uravneniy i sistem uravneniy s chastnymi proizvodnymi drobnogo poryadka [Boundary Value Problems for Equations and Systems of Partial Differential Equations of Fractional Order]. Nal’chik, KBSC RAS, 2013, 200 pp. (In Russian). EDN: RPBPVP.
  16. Lykov A. V. Teoriya teploprovodnosti [Theory of Heat Conduction]. Moscow, Vyssh. shk., 1967, 600 pp. (In Russian)
  17. Hristov J. Linear viscoelastic responses and constitutive equations in terms of fractional operators with non-singular kernels, Eur. Phys. J. Plus, 2019, vol. 134, 283. DOI: https://doi.org/10.1140/epjp/i2019-12697-7.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.