Корчагина А.Н.   Мержиевский Л.А.  

Использование производных дробного порядка для решения задач механики сплошных сред

Reporter: Корчагина А.Н.

Значительное количество реальных процессов не укладываются в представления механики сплошной среды и требуют привлечения представлений о  фрактальности среды, в которой эти процессы происходят. К таким процессам, например, относятся диффузия примесей в грунте, распространение тепла в аэрогелях. Для их описания используется модифицированный соответствующим образом закон Фика (Фурье) [1],  что требует привлечения математического аппарата дробного интегро-дифференциального исчисления [2]. Этот же аппарат все чаще используется для учета наследственных свойств и фрактальности строения реальных материалов. Так в [3] Ю.Н. Работнов ввел обобщение реологического уравнения, построенного им для описания поведения наследственных сред, на случай производных дробного порядка. Обоснование применения производных дробного порядка в моделях вязкоупругости дано в [4,5]. Физическая интерпретация дробного интеграла дана в [6].
При постановке конкретных задач возникают начально-краевые задачи для дифференциальных уравнений с дробными производными. Развиваются аналитические методы решения задач, однако наибольшее распространение получили численные методы [7-12]. Это связано, в первую очередь с тем, что аналитические решения удается получить только в редких частных случаях.
Одна из проблем, возникающих при использовании дробных производных, заключается в том, что не существует их однозначного определения. Численные методы решения задач для уравнений с дробными производными привязаны к виду выбранной производной, поэтому возникает необходимость анализа и сравнения результатов, полученных при использовании разных определений и численных методов. Такое сравнение проводилось в [8] на примере задачи о распространении теплового импульса.
В данной работе рассмотрены определения дробных производных Римана-Лиувилля, Капуто и Грюнвальда-Летникова, и соответствующие численные методы. Проведено сравнение численных решений ряда задач теплопроводности (диффузии), полученных различными методами для разных типов дробных производных. Анализ результатов позволил выделить определения и методы, наиболее перспективные c точки зрения адекватности описания реальных процессов диффузии во фрактальных средах.
Проведен анализ ряда определяющих соотношений с производными дробного порядка. В модели вязкоупругого тела максвелловского типа с дробными производными решена задача о квазистатическом и динамическом растяжении тонкого стержня.
Полученные результаты использованы для обсуждения влияния значений порядка производных на свойства определяющих соотношений и вид диаграмм деформирования.
Работа выполнялась при поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 64 и гранта РФФИ № 12-01-00726-а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Paradisi P., Cesari R., Mainardi F., Tampieri F. The fractional Fick’s law for non-local transport  processes. // Physica A, 2001, 293, P. 130-142.
2. Самко С.Г., Килбас А.А., Маричев О.И. Интегралы и производные дробного порядка и некоторые их приложения. // Минск: Наука и техника, 1987.
3. Работнов, Ю.Н. Равновесие упругой среды с последствием. // Прикл. Математика и механика. – 1948. – V.12. – PP.53–62.
4. Bagley, R. L., Torvik, P. J.  A theoretical basis for the application of fractional calculus to viscoelasticity. //J. Rheol., 1983, v. 27, p. 201--210.
5. Bagley, R. L., Torvik, P. J. On the fractional calculus model of viscoelastic behavior. // J. Rheol., 1986, v.30, p. 133-155.
6. Р.Р. Нигматуллин. Дробный интеграл и его физическая интерпретация. // Теоретическая и математическая физика, 1992, т. 90, № 3, с. 354-368.
7. Gorenflo R. Fractional calculus: some numerical methods. In: Fractals and Fractional Calculus in Continuum Mechanics, eds. A. Carpinteri and F. Mainardi. - Springer Verlag, Wien, 1997. - N. 378 - pp. 277-290.
8. Мержиевский Л.А., Корчагина А.Н. Сравнение методов численного решения задач для уравнения теплопроводности дробного порядка. // X Международный семинар «Супервычисления и математическое моделирование», Саров, 2008 г. С.85-86.
9. Головизнин В.М., Киселев В.П., Короткин И.А. Численные методы решения уравнения дробной диффузии в одномерном случае. //  М., 2002 (Препринт / ИБРАЭ РАН: IBRAE-2002-01).
10. Лукащук С.Ю., Костригин И.В. Численное решение диффузионно-волновых уравнений дробного порядка на кластерных системах. // Труды VI Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, 29-31 октября 2005 года, г. Кемерово, Россия, 19 стр.
11. Мержиевский Л. А., Корчагина А. Н. Моделирование распространения теплового импульса во фрактальной среде. // Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Труды международной конференции "XI Харитоновские тематические научные чтения". Саров, 2009 г, С. 250-254.
12. Ф. И. Таукенова, M. X. Шхануков-Лафишев. Разностные методы решения краевых задач для дифференциальных уравнений дробного порядка. // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2006, том 46, № 10, с. 1871-1881.