Краевая задача для уравнения параболического типа в нецилиндрической области

Abstract

Излагается применение метода разложения по собственным функциям самосопряженного дифференциального оператора к решению одной нестационарной задачи теплообмена с фазовым переходом на примере процесса промерзания некоторой сплошной среды. Получено приближенно-аналитическое решение задачи в неавтомодельной постановке при специальных начальных условиях. Решение задачи начинается с ее преобразования к области с неподвижными границами, затем для решения преобразованной задачи строится конечное интегральное преобразование с неизвестным ядром, нахождение которого связано с постановкой и решением соответствующей спектральной задачи через вырожденные гипергеометрические функции. Находятся собственные значения и собственные функции, а также формула обращения для введенного интегрального преобразования, что позволяет выписать аналитическое решение задачи. В ходе решения задачи устанавливается параболический закон движения границы раздела двух фаз. Задачи подобного типа возникают при математическом моделировании процессов теплообмена в строительстве, особенно в районах вечной мерзлоты, в нефтегазодобыче при бурении и эксплуатации скважин, в металлургии и т.д. We present an application of the method of the eigenfunction decomposition of a self-adjoint differential operator to the solution of a non-stationary heat transfer problem with phase transition with the freezing process in a continuous medium as an example. An approximate analytical solution of the problem in a non-automodel formulation under special initial conditions is obtained. The solution of the problem starts with its conversion to a region with fixed boundaries. Then, for the solution of the transformed problem, we construct a finite integral transform with unknown core, finding of which is associated with formulation and solution of corresponding spectral problems using the degenerate hypergeometric functions. We find the eigenvalues and eigenfunctions, as well as an inversion formula for the introduced integral transform, which allows us to obtain an analytical solution to the problem and consider a number of special cases. While solving the problem, we establish the parabolic law of motion of the interface between the two phases. Problems of this type arise in the mathematical modeling of heat transfer processes in construction, especially in the permafrost areas, in oil and gas production during drilling and operation of wells, in metallurgy, etc.