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.

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.

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».