Solving the problem of transferring a continuous medium over a network medium in symbolic form
Authors: Рыбаков М.А. 
Published: July 2024

При исследовании эволюционных процессов переноса сплошной среды по сетевым носителям основное внимание уделяется вопросам существования и приближенного нахождения решений начально-краевых задач для дифференциальных систем уравнений, формализмами которых описываются математические модели указанных процессов. В инженерной практике такие модели, как правило, считаются линейными, либо допускают линеаризацию (классический пример – линеаризованные системы Навье-Стокса). Центральная идея, базирующаяся на использовании инструментов теории символьной математики и определившая весь стиль данной работы, предопределяет осмысление закономерностей явлений переноса в местах ветвления (узловых местах) носителя процесса и последующее математическое описание таких явлений в терминах дифференциальных или иных соотношений. В работе представлена математическая модель эволюционного сетеподобного процесса переноса сплошной среды (линейная дифференциальная система) и соответствующая ей дифференциально-разностная система, полученная полудискретизацией дифференциальной системы по временной переменной. Для доказательства разрешимости последней и фактического определения приближений решения исходной дифференциальной системы используются методы символьной математики. При этом предлагается и обосновывается алгоритм нахождения символьно-численного решения дифференциально-разностной системы и приближений решений начально-краевой задачи для уравнения переноса сплошной среды. В основе алгоритма лежит аппроксимация частной производной по временной переменной разностным отношением (используется двухслойная аппроксимационная схема) и последующее применение преобразования Лапласа к полученной дифференциально-разностной системе. Представлена блок-схема алгоритма, приведено описание структуры программного комплекса на основе разработанного алгоритма. Программный комплекс разработан на языке программирования Java. Для ввода исходных данных начально-краевой задачи и вывода решения используется веб-интерфейс программного комплекса на основе фреймворка Spring. Для иллюстрации работы программного комплекса рассматривается пример решения начально-краевой задачи с пошаговой демонстрацией результатов расчетов. Представляемый метод может использоваться в анализе прикладных задач сетевой гидродинамики, теплотехники, а также анализе диффузионных процессов биофизики.

When studying the evolutionary processes of transferring a continuous medium over network media, special emphasis is placed on the issues of the existence and approximate finding of solutions to initial boundary value problems for differential systems of equations, the formalisms of which describe mathematical models of these processes. In engineering practice, such models are usually considered linear or allow linearization (a classic example is linearized Navier-Stokes systems). The core idea is based on the use of symbolic mathematics theory tools which determined the entire direction of the research; it predetermines the understanding of the transfer phenomena patterns in the branching places (nodal places) of the process carrier and the subsequent mathematical description of such phenomena in terms of differential or other relationships. The paper presents a mathematical model of an evolutionary network-like process of continuum transfer (linear differential system) and its corresponding differential-difference system obtained by semi-sampling the differential system with respect to a time variable. To prove the solvability of the latter and empirically determine the approximations of the solution to the original differential system, methods of symbolic mathematics are used. At the same time, an algorithm for finding a symbolic-numerical solution to a differential-difference system and approximations of solutions to the initial boundary value problem for the continuum transport equation are proposed and validated. The algorithm is based on the approximation of the partial derivative with respect to a time variable by a difference ratio (a two-layer approximation scheme is utilized) and the subsequent application of the Laplace transform to the resulting differential-difference system. A block diagram of the algorithm is presented; a description of the software complex structure based on the developed algorithm is given. The software package is developed using the Java programming language. To upload the initial data of the initial-boundary value problem and output the solution, the web interface of the software package based on the Spring framework is used. To illustrate the operation of the software package, an example of solving an initial-boundary value problem is considered with a step-by-step demonstration of the calculation results. The presented method can be used in the analysis of applied problems of network hydrodynamics, heat engineering, as well as the analysis of diffusion processes in biophysics.