Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса

Построена дробно-дифференциальная математическая модель для исследования локально-неравновесных геомиграционных процессов с учетом химического осмоса и ультрафильтрации. Поставлена соответствующая данной модели краевая задача и получено ее аналитическое решение. Побудована дробово-диференційна матем...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Компьютерная математика
Datum:2013
Hauptverfasser: Благовещенская, Т.Ю., Булавацкий, В.М., Гладкий, А.В.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2013
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84723
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса / Т.Ю. Благовещенская, В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика. — 2013. — № 1. — С. 13-19. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859863494014271488
author Благовещенская, Т.Ю.
Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
author_facet Благовещенская, Т.Ю.
Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
citation_txt Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса / Т.Ю. Благовещенская, В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика. — 2013. — № 1. — С. 13-19. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Компьютерная математика
description Построена дробно-дифференциальная математическая модель для исследования локально-неравновесных геомиграционных процессов с учетом химического осмоса и ультрафильтрации. Поставлена соответствующая данной модели краевая задача и получено ее аналитическое решение. Побудована дробово-диференційна математична модель для дослідження локально-нерівноважних геоміграційних процесів з урахуванням хімічного осмосу і ультрафільтрації. Поставлена відповідна цій моделі крайова задача та одержано її аналітичний розв’язок. A fractional differential mathematical model for investigation of local-nonequilibrium geomigration processes with chemical osmosis and ultrafiltration is constructed. A statement of the corresponding boundary-value problem is given and its analytical solution is obtained.
first_indexed 2025-12-07T15:47:05Z
format Article
fulltext Компьютерная математика. 2013, № 1 13 Построена дробно-дифференци- альная математическая модель для исследования локально-нерав- новесных геомиграционных про- цессов с учетом химического ос- моса и ультрафильтрации. По- ставлена соответствующая дан- ной модели краевая задача и полу- чено ее аналитическое решение.  Т.Ю. Благовещенская, В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий, 2013 УДК 517.934:532.546 Т.Ю. БЛАГОВЕЩЕНСКАЯ, В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОДНОГО ЛОКАЛЬНО-НЕРАВНОВЕСНОГО ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ГЕОМИГРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА Введение. Проблема повышения степени адекватности классических количественных моделей процессов геомиграции в системах со сложной пространственно-временной структурой, для которых характерны эффек- ты памяти, пространственной нелокальности и самоорганизации является весьма актуаль- ной для современной геоинформатики и гео- гидромеханики. Сложностью данной про- блемы обусловлен пересмотр основных по- ложений классической теории переноса в геопористых средах, в частности, значитель- ный прогресс в этом направлении достигнут с использованием формализма интегро- дифференцирования дробного порядка [1–7]. Поскольку в вышеуказанных случаях систем со сложной пространственно-временной струк- турой рассматриваемые математические мо- дели базируются на системах дифференци- альных уравнений дробного порядка [3, 4], то отсюда следует, что данные геомиграци- онные процессы являются существенно не- локальными во времени и пространстве. Отметим, что различным аспектам разра- ботки методов математического моделирова- ния локально-неравновесных геомиграцион- ных процессов в насыщенных солевыми рас- творами геопористых средах посвящены, в Т.Ю. БЛАГОВЕЩЕНСКАЯ, В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2013, № 1 14 частности, работы [5–7]. При этом в [5] по- строено ряд новых математи- ческих моделей для описания динамики процессов массо- АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ... Компьютерная математика. 2013, № 1 15 теплопереноса в условиях сильной временной нелокальности и, в рамках ука- занных моделей, построены замкнутые решения некоторых краевых задач тео- рии аномальной геофильтрации. В работах [6, 7] построены неклассические ма- тематические модели геофильтрации солевых растворов с учетом осмотических явлений в условиях временной нелокальности для неизотермического и изотер- мического случаев. В настоящей работе, в рамках развития идей [5–7], построена новая дробно- дифференциальная математическая модель для изучения локально-неравно- весных во времени изотермических процессов в насыщенной солевыми раство- рами геопористой среде с учетом химического осмоса и ультрафильтрации. По- ставлена соответствующая предложенной модели краевая задача и получено ее аналитическое решение. 1. Построение математической модели процесса и постановка краевой задачи. Для математического моделирования фильтрационно-консолидаци- онного процесса в геопористом массиве, насыщенном солевым раствором с уче- том временной нелокальности, осмоса и ультрафильтрации [8], обобщим законы Дарси и Фика таким образом [6, 7]: 1 ,x t H C u D k x x −β ∂ ∂ = − + ν ∂ ∂  (1) 1 ,t u C H C H q D d C k d x x x x −β ∂ ∂ ∂ ∂  = − + − + ν + γ  ∂ ∂ ∂ ∂   (2) где xu – скорость геофильтрации; H – избыточный напор [9, 10]; С – концен- трация солей в жидкой фазе; d – коэффициент диффузии; k – коэффициент фильтрации [10]; ν – коэффициент осмоса; ud – коэффициент ультрафильтрации [8]; γ – удельный вес жидкости; β−1 tD – оператор дробного дифференцирования Римана – Лиувилля [3, 4] порядка )10(1 <β<β− по переменной t . Тогда, из уравнения неразрывности фильтрационного потока [9, 11] получа- ем следующее уравнение для определения избыточного напора Н: 2 2 1 2 2t H H C D c t x x −β ν  ∂ ∂ ∂= − µ ∂ ∂ ∂  (3) или , 2 2 2 2 )( x C x H cHDt ∂ ∂µ− ∂ ∂= ν β (4) где νc – коэффициент консолидации [10, 12], k cνν=µ , )(β tD – оператор регуля- ризованной дробной производной порядка β [3, 4]. Т.Ю. БЛАГОВЕЩЕНСКАЯ, В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2013, № 1 16 Аналогично из соотношения баланса массы солей в жидкой фазе в предпо- ложении слабой сжимаемости жидкой фазы получаем следующее уравнение для определения концентрации C:       ∂ ∂γ− ∂ ∂       ∂ ∂ν− ∂ ∂+ ∂ ∂= ∂ ∂σ β− 2 2 2 2 1 x H d x C x C x H k x C dD t C ut (5) или 2 2 2 2 )( x H d x C x C x H k x C dCD ut ∂ ∂γ− ∂ ∂       ∂ ∂ν− ∂ ∂+ ∂ ∂=σ β , (6) где σ – пористость среды. В случае фильтрационно-консолидационных процессов в глинистых гео- массивах, ввиду малости соответствующих скоростей фильтрации, допустимо пренебречь конвективной составляющей в последнем уравнении. Тогда матема- тическая модель изотермичного локалько-неравновесного фильтрационно-кон- солидационного процесса в глинистом геомассиве, насыщенном солевым рас- твором, в условиях наличия химического осмоса и ультрафильтрации будет ба- зироваться на системе уравнений с дробными производными вида 2 2 2 2 )( x C x H cHDt ∂ ∂µ− ∂ ∂= ν β , (7) 2 2 2 2 )( x H d x C dCD ut ∂ ∂γ− ∂ ∂=σ β . (8) Отметим, что принимаемая в дальнейшем в качестве основной математиче- ская модель, базирующаяся на уравнениях (7), (8), является естественным обоб- щением (на случай наличия временной нелокальности) известной [8] математи- ческой модели для описания рассматриваемого геомиграционного процесса в равновесных условиях. Действительно, при 1→β из (7), (8) получаем систему уравнений приведенную в [8]: 2 2 2 2 x C x H c t H ∂ ∂µ− ∂ ∂= ∂ ∂ ν , 2 2 2 2 x H d x C d t C u ∂ ∂γ− ∂ ∂= ∂ ∂σ . В рамках рассматриваемой математической модели моделирование динами- ки полей избыточных напоров и концентраций при изотермической фильтраци- онной консолидации глинистых геомассивов, насыщенных солевыми раствора- ми, в условиях временной нелокальности, осмоса и ультрафильтрации сводится, например, в случае массива конечной мощности l с проницаемыми границами, к решению в области ),0(),0( ∞×l системы уравнений (7), (8) с краевыми условиями АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ... Компьютерная математика. 2013, № 1 17 ,)0,(,0),(,0),0( 0HxHtlHtH === (9) ,0)0,(,0),(,),0( 0 === xCtlCCtC (10) где 0H – начальное значение избыточного напора в массиве, 0C – заданное зна- чение концентрации солей на входе фильтрационного потока. Введем в рассмотрение безразмерные переменные и параметры соотношениями ., ,,,,, 0 0 0 0 00 1 2 Cc Hd d c d d Hc C H H H C C Ct l c t l x x u u νν ν β ν σ γ=′ σ =′ µ=µ′=′=′     =′=′ (11) Переходя в соотношениях (7) – (10) к безразмерным переменным согласно соот- ношениям (11) и опуская в дальнейшем знак «штрих» над безразмерными вели- чинами, получаем следующую краевую задачу: 2 2 2 2 )( x C x H HDt ∂ ∂µ− ∂ ∂=β , (12) 2 2 2 2 )( x H d x C dCD ut ∂ ∂− ∂ ∂=β , (13) 1)0,(,0),1(,0),0( === xHtHtH , (14) 0)0,(,0),1(,1),0( === xCtCtC . (15) 2. Решение краевой задачи (12) – (15). Умножая уравнения (12), (13) на неко- торые неопределенные коэффициенты 21, qq и складывая результаты, получаем [ ]CqdqHdqq x CqHqD ut )()()( 12212 2 21 )( µ−+− ∂ ∂=+β . (16) Предположим, что действительная постоянная r такая, что имеют место со- отношения 212121 , rqqdqrqdqq u =µ−=− . (17) Необходимое и достаточное условие наличия у системы линейных однородных уравнений (17) нетривиальных решений дает уравнение 0)1(2 =µ−++− uddrdr . (18) Отсюда 04)1(),1( 2 1 2 2,1 >µ+−=∆∆±+= udddr . (19) Определив нетривиальные решения системы (17) при )2,1( == irr i , например в виде }1,{ iQ , где )2,1( 1 = − = i r d Q i u i , и вводя обозначения )2,1(),(),(),( =+=ψ itxCtxHQtx ii , (20) Т.Ю. БЛАГОВЕЩЕНСКАЯ, В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2013, № 1 18 с учетом (16) получаем для отыскания неизвестных функций )2,1( =ψ ii совокупность уравнений )2,1( 2 2 )( = ∂ ψ∂=ψβ i x rD i iit . (21) Краевые условия для (21) имеют вид (0, ) 1, (1, ) 0, ( ,0) ( 1,2).i i i it t x Q iψ = ψ = ψ = = (22) Для физической корректности рассматриваемой задачи необходимо выполнение условия γ ud kdν < . Приводя задачи (21), (22) к однородным граничным условиям и применяя конечное интегральное преобразование Фурье [13, 14] по переменной х получа- ем задачи типа Коши для дробно-дифференциального уравнения вида: )2,1(0)()( 2)( ==λ+β iturtuD nn iniit , (23) )2,1()0( )( =α= iu i nin , (24) где ., 1])1(1[ ,1),(),(,)sin(),()( 1 )( 1 0 π=λ λ −−+=α −+ψ=ΨλΨ= + ∫ n Q xtxtxdxxtxtu n n n ii n iiniin (25) Решая задачи (23), (24) и, возвращаясь в область оригиналов по геометрической переменной, получаем )2,1()sin()(21),( 2 1 )( =λλ−α+−=ψ β β ∞ = ∑ ixtrExtx nni n i ni , (26) где )(zEβ – функция Миттаг – Леффлера [3, 4]. При этом переход к функциям напора H и концентрации C осуществляется по формулам: 21 1221 21 21 , QQ QQ C QQ H − ψ−ψ= − ψ−ψ= . (27) Таким образом доказано следующее утверждение: Теорема. Если 10 <β< , то краевая задача (12) – (15) имеет решение (Н, С), даваемое формулами (27), (26), при условии, что ряды в (26) сходятся. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ... Компьютерная математика. 2013, № 1 19 Отметим, что из соотношений (27), (26) при 1→β получаем решение рас- сматриваемой задачи в классической постановке, без учета временной нело- кальности процесса [8]. Это решение имеет вид (27), где )2,1( =ψ ii определя- ются соотношениями (26) при 1→β , т. е. )2,1()sin(21),( 2 1 )( =λα+−=ψ λ− ∞ = ∑ ixextx n tr n i ni ni , что совпадает с решением приведенным в [8]. Заключение. Предложенная в работе математическая модель и полученные результаты дают возможность учета на аналитическом уровне новых важных факторов (не учитываемых классическими математическими моделями), тесно связанных с наличием существенной временной нелокальности процесса геоми- грации солевых растворов. Т.Ю. Благовещенська, В.М. Булавацький, А.В. Гладкий АНАЛІТИЧНИЙ РОЗВ’ЯЗОК ЗАДАЧI МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ОДНОГО ЛОКАЛЬНО-НЕРІВНОВАЖНОГО ІЗОТЕРМІЧНОГО ГЕОМІГРАЦІЙНОГО ПРОЦЕСУ Побудована дробово-диференційна математична модель для дослідження локально-нерівно- важних геоміграційних процесів з урахуванням хімічного осмосу і ультрафільтрації. Постав- лена відповідна цій моделі крайова задача та одержано її аналітичний розв’язок. T.Y. Blagoveschenskaya, V.M. Bulavatsky, A.V. Gladky ANALYTICAL SOLUTION TO A MATHEMATICAL MODELING PROBLEM OF A LOCAL-NONEQUILIBRIUM ISOTHERMICAL GEOMIGRATION PROCESS A fractional differential mathematical model for investigation of local-nonequilibrium geomigration processes with chemical osmosis and ultrafiltration is constructed. A statement of the corresponding boundary-value problem is given and its analytical solution is obtained. 1. Gorenflo R., Mainardi F., Moretti D., Paradisi P. Time fractional diffusion: a discrete random walk approach // Nonlinear Dynamics. – 2002. –29, N 1–4. – P. 129–143. 2. Paradisi P., Cesari R., Mainardi F., Tampieri F. The fractional Fick’s law for non-local trans- port processes // Physica A. – 2001. – 293, N 1–2. – P. 130–142. 3. Podlubny I. Fractional differential equation. –New York: Academ. Press, 1999. –341 p. 4. Kilbas A.A., Srivastava H.M., Trujillo J.J. Theory and application of fractional differential equation. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – 523 p. 5. Булавацкий В.М. Некоторые математические модели геоинформатики для описания про- цессов переноса в условиях временной нелокальности // Проблемы управления и инфор- матики. – 2011. – № 3. – С. 128–137. 6. Булавацкий В.М. Неклассическая математическая модель геоинформатики для решения задач динамики неравновесных неизотермических геофильтрационных полей // Киберне- тика и системный анализ. – 2011. – № 6. – С. 79–88. Т.Ю. БЛАГОВЕЩЕНСКАЯ, В.М. БУЛАВАЦКИЙ, А.В. ГЛАДКИЙ Компьютерная математика. 2013, № 1 20 7. Булавацкий В.М. Математическая модель геоинформатики для исследования динамики локально-неравновесных геофильтрационных процессов // Проблемы управления и ин- форматики. – 2011. – № 6. – С. 76–83. 8. Kaczmarek M., Huekel T. Chemo-mechanical consolidation of clays: analytical solution for a linearized one-dimensional problem // Transport in porous media. – 1998. – 32. – P. 49–74. 9. Ляшко И.И., Демченко Л.И., Мистецкий Г.Е. Численное решение задач тепло- и массопе- реноса в пористых средах. – Киев: Наук. думка, 1991. – 264 с. 10. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. – М.: Высш. шк., 1991. – 447 с. 11. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. – М.: Недра, 1984. – 208 с. 12. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. – М.: Недра, 1967. – 543 с. 13. Sneddon I. The use of integral transform. – New York: Mc. Graw-Hill Book Comp., 1973. – 539 p. 14. Карташов Э.И. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. – М.: Высш. шк. 1979. – 415 с. Получено 15.10.2012 Об авторах: Благовещенская Татьяна Юрьевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, E-mail: dept175@gmail.ru Булавацкий Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, ведущий сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, E-mail: v_bulav@ukr.net Гладкий Анатолий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84723
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn ХХХХ-0003
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:47:05Z
publishDate 2013
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Благовещенская, Т.Ю.
Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
2015-07-14T11:36:17Z
2015-07-14T11:36:17Z
2013
Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса / Т.Ю. Благовещенская, В.М. Булавацкий, А.В. Гладкий // Компьютерная математика. — 2013. — № 1. — С. 13-19. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
ХХХХ-0003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84723
517.934:532.546
Построена дробно-дифференциальная математическая модель для исследования локально-неравновесных геомиграционных процессов с учетом химического осмоса и ультрафильтрации. Поставлена соответствующая данной модели краевая задача и получено ее аналитическое решение.
Побудована дробово-диференційна математична модель для дослідження локально-нерівноважних геоміграційних процесів з урахуванням хімічного осмосу і ультрафільтрації. Поставлена відповідна цій моделі крайова задача та одержано її аналітичний розв’язок.
A fractional differential mathematical model for investigation of local-nonequilibrium geomigration processes with chemical osmosis and ultrafiltration is constructed. A statement of the corresponding boundary-value problem is given and its analytical solution is obtained.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Компьютерная математика
Математическое моделирование
Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
Аналітичний розв’язок задачi математичного моделювання одного локально-нерівноважного ізотермічного геоміграційного процесу
Analytical solution to a mathematical modeling problem of a local-nonequilibrium isothermical geomigration process
Article
published earlier
spellingShingle Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
Благовещенская, Т.Ю.
Булавацкий, В.М.
Гладкий, А.В.
Математическое моделирование
title Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
title_alt Аналітичний розв’язок задачi математичного моделювання одного локально-нерівноважного ізотермічного геоміграційного процесу
Analytical solution to a mathematical modeling problem of a local-nonequilibrium isothermical geomigration process
title_full Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
title_fullStr Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
title_full_unstemmed Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
title_short Аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
title_sort аналитическое решение задачи математического моделирования одного локально-неравновесного изотермического геомиграционного процесса
topic Математическое моделирование
topic_facet Математическое моделирование
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84723
work_keys_str_mv AT blagoveŝenskaâtû analitičeskoerešeniezadačimatematičeskogomodelirovaniâodnogolokalʹnoneravnovesnogoizotermičeskogogeomigracionnogoprocessa
AT bulavackiivm analitičeskoerešeniezadačimatematičeskogomodelirovaniâodnogolokalʹnoneravnovesnogoizotermičeskogogeomigracionnogoprocessa
AT gladkiiav analitičeskoerešeniezadačimatematičeskogomodelirovaniâodnogolokalʹnoneravnovesnogoizotermičeskogogeomigracionnogoprocessa
AT blagoveŝenskaâtû analítičniirozvâzokzadačimatematičnogomodelûvannâodnogolokalʹnonerívnovažnogoízotermíčnogogeomígracíinogoprocesu
AT bulavackiivm analítičniirozvâzokzadačimatematičnogomodelûvannâodnogolokalʹnonerívnovažnogoízotermíčnogogeomígracíinogoprocesu
AT gladkiiav analítičniirozvâzokzadačimatematičnogomodelûvannâodnogolokalʹnonerívnovažnogoízotermíčnogogeomígracíinogoprocesu
AT blagoveŝenskaâtû analyticalsolutiontoamathematicalmodelingproblemofalocalnonequilibriumisothermicalgeomigrationprocess
AT bulavackiivm analyticalsolutiontoamathematicalmodelingproblemofalocalnonequilibriumisothermicalgeomigrationprocess
AT gladkiiav analyticalsolutiontoamathematicalmodelingproblemofalocalnonequilibriumisothermicalgeomigrationprocess