Analytical Solutions of Mathematical Models of Complex Heat Transfer

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In mathematical models of analytical thermal physics, the problems of non-stationary heat conductivity with a boundary condition of the form have a special place and relate to complex heat transfer due to the dependence of the relative heat transfer coefficient on time: heat transfer coefficient, thermal conductivity coefficient [1]. It is believed that is determined only by the temperature difference. However, experiments show [2–4] that in non-stationary processes is a nonequilibrium value and depends much more significantly on time than on temperature. Considering that its practical definition is very difficult, in all criterial heat transfer equations it is taken as a constant value In this case, it becomes possible to obtain accurate analytical solutions to the corresponding heat conductivity problems in the form of Fourier–Hankel integrals for partially bounded regions or in the form of Fourier–Hankel series for bounded regions of canonical type. For these purposes, special tables have been developed, which have entered thermal physics as Kartashov tables No. (1–2), allowing in a matter of minutes, using a special technique in No. 1, to write out an exact analytical solution to a heat problem [5–6] in Cartesian, cylindrical and spherical coordinate systems and then improve the solution in the form of a series using technique in No. 2 to absolute and uniform convergence up to the boundary of the domain of definition of the differential heat conductivity equation. In the case of a dependence of the coefficient h on time ( the situation with finding an analytical solution to the problem changes dramatically: it is not possible to obtain an exact solution. The difficulty lies in the fact that remaining within the framework of classical methods of mathematical physics [7–9] it is not possible to reconcile the solution of the heat conduction equation with the boundary condition of heat exchange at variable and to this day this problem remains open despite the attempts of a huge number of researchers on this problem of analytical thermal physics. In this article, a method of splitting the generalized integral Fourier transform is developed, which made it possible to ultimately obtain an exact analytical solution to the heat problem for an arbitrary dependence, first in cylindrical coordinates (radial heat flow in an infinite region limited from the inside by a cylindrical cavity), and then in Cartesian coordinates (half-space limited by a flat surface). The obtained results constitute the scientific novelty of the work.

About the authors

E. M. Kartashov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “MIREA — Russian Technological University”; Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “National Research University MAI”

Email: professor.kartashov@gmail.com
Moscow, Russia; Moscow, Russia

S. S. Krylov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “National Research University MAI”

Moscow, Russia

References

  1. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 2001. 540 с.
  2. Аттетков А.В., Волков И.К. Формирование температурных полей в области, ограниченной изнутри цилиндрической поверхностью // Вестник МГТУ им. Баумана. Серия: Машиностроение. 1999. № 1; 50–55.
  3. Волков И.К., Канатников А.Н. Интегральное преобразование и операционное исчисление. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1996. 228 с.
  4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.
  5. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований в аналитической теории теплопроводности твердых тел // Известия РАН. Энергетика. 1993. № 2. С. 99–127.
  6. Карташов Э.М. Расчеты температурных полей в твердых телах на основе улучшения сходимости рядов Фурье–Ханкеля // Известия РАН. Энергетика. 1993. № 3. С. 106–125.
  7. Формалев В.Ф. Уравнения математической физики. М.: URSS, 2020. 646 с.
  8. Новиков В.С. Аналитические методы теории переноса // Промышленная теплотехника. 1989. № 11(5). С. 11–54.
  9. Кудинов И.В., Кудинов В.А. Аналитические решения параболических и гиперболических уравнений тепломассопереноса. М.: Инфра-М, 2013. 391 с.
  10. Подстригач Я.С., Коляно Ю.М. Термоупругость тел при переменных коэффициентах теплоотдачи. Киев: Наукова Думка, 1977. 160 с.
  11. Ладыженская О.А., Солонников В.А., Уральцева Н.Н. Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа. М.: Наука, 1967. 736 с.
  12. Карташов Э.М., Крылов С.С. Новые функциональные соотношения в аналитической теплофизике для локально-неравновесных процессов теплообмена // Тепловые процессы в технике. 2024. № 16(6). С. 243–256.
  13. Кудинов В.А., Еремин А.В., Кудинов И.В. Разработка и исследование сильно неравновесной модели теплообмена и жидкости с учетом пространственно-временной нелокальности и диссипации энергии // Теплофизика и аэромеханика. 2017. № 24(6). С. 929–935.
  14. Кирсанов Ю.А. Моделирование теплофизических процессов. Санкт-Петербург: Политехника, 2022. 230 с.
  15. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели термомеханики. М.: Физматлит, 2002. 168 с.
  16. Карташов Э.М. Развитие обобщенных модельных представлений теплового удара для локально-неравновесных процессов переноса теплоты // Российский технологический журнал. 2023. № 11(3); С. 70–85.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».