Numerical Method for Solving Nonlinear Heat Transfer Problems in Thin Layers
PDF (Russian)

Keywords

heat transfer
numerical method
inverse problem
regularization

How to Cite

1.
Yaparov A.D., Yaparova N.M. Numerical Method for Solving Nonlinear Heat Transfer Problems in Thin Layers // Russian Journal of Cybernetics. 2025. Vol. 6, № 4. P. 140–148.

Abstract

we consider a nonlinear inverse heat conduction problem arising in high-speed, high-temperature technological processes where real-time information about internal temperature fields in thin layers is required. A key feature of this problem is that the thermophysical properties of the interlayer material change depending on its current thermal state.
Mathematically, the problem of calculating temperatures at internal points of the layer is described by a parabolic equation whose coefficients depend on the solution, with initial and boundary conditions reflecting the interlayer’s initial thermal state and the temperature variation near its outer boundary.
We present a new approach to solving the inverse problem based on approximating the coefficient functions and a computational scheme implementing this approach. The scheme uses finite differences and incorporates regularization algorithms to ensure stability. This approach and scheme form the basis of a method for calculating temperature fields in a thin interlayer.
We verified the method through computational experiments, solving the inverse problem and comparing the results with test functions. The results confirm the reliability and sufficient accuracy of the proposed computational scheme.

PDF (Russian)

References

Алифанов О. М., Будник С. А., Ненарокомов А. В., Салосина М. О., Титов Д. М. Датчики для косвенного измерения нестационарных тепловых потоков на основе методологии обратных задач теплопроводности. Инженерно–физический журнал. 2023;967:1705–1716.

Белоусов М. Д., Шестаков А. Л., Япарова Н. М. Оценка собственного состояния термометров сопротивлений. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2012;35:105–109.

Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука; 1986. 288 с.

Иванов В. К., Васин В. В., Танана В. П. Теория линейных некорректных задач и ее приложения. М.: Наука; 1978. 208 c.

Денисов А. М. Приближенное решение обратных задач для уравнения теплопроводности с сингулярным возмущением. Журнал вычислительной математики и математической физики. 2021;6112:2040–2049. DOI: 10.31857/S0044466921120085.

Борухов В. Т., Заяц Г. М., Костюкова О. И. Обратные задачи восстановления коэффициентов и источников переноса в нелинейных уравнениях теплопроводности. Труды Института математики НАН Беларуси. 2023;311:33–43.

Boykov I. V., Ryazantsev V. A. Оn the Problem of Recovering Boundary Conditions in the Third Boundary Value Problem for Parabolic Equation. University Proceedings. Volga Region. Physical and Mathematical Sciences. 2021;2:3–13. DOI: 10.21685/2072-3040-2021-2-1.

Ваганова Н. А., Филимонов М. Ю. Моделирование температурных полей под опорой железнодорожного моста в криолитозоне. Химическая физика и мезоскопия. 2025;272:144–152. DOI: 10.62669/17270227.2025.2.14.

Япарова Н. М. Метод решения обратной задачи идентификации функции источника с использованием преобразования Лапласа. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика. 2016;53:20–35. DOI: 10.14529/cmse160302.

Вабищевич П. Н. Операторно–разностные аппроксимации на нестандартных прямоугольных сетках. Журнал вычислительной математики и математической физики. 2024;647:1097–1111. DOI: 10.31857/S0044466924070016.

Кабанихин С. И. Обратные и некорректные задачи. Новосибирск: Сибирское научное издательство; 2009. 457 с.

Samarskii A. A., Vabishchevich P. N. Numerical Methods for Solving Inverse Problems of Mathematical Physics. Berlin: Walter de Gruyter; 2007. DOI: 10.1515/9783110205794.

Япарова Н. М., Капелюшин Ю. Е. Идентификация внутреннего теплового источника и определение теплового состояния объекта по динамическим граничным измерениям. Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2023;4:91–103. DOI: 10.25729/ESI.2023.32.4.008.

Vasyliev V., Vasilyeva M. An Accurate Approximation of the Two-Phase Stefan Problem with Coefficient Smoothing. Mathematics. 2020;811:19224. DOI: 10.3390/math8111924.

Lukyanenko D. V., Argun R. L., Borzunov A. A., Gorbachev A. V., Shinkarev V. D., Shishlenin M. A., Yagola A. G. On the Features of Numerical Solution of Coefficient Inverse Problems for Nonlinear Equations of the Reaction–Diffusion–Advection Type with Data of Various Types. Differential Equations. 2023;5912:1734–1757. DOI: 10.1134/s0012266123120133.

Yaparova N. M. Mathematical Modelling and Method for Solving a Parametric Identification Problem for Self-Test of Measuring Devices. Inverse Problems in Science and Engineering. 2016;241:77–91. DOI: 10.1080/17415977.2015.1017482.

Дилигенская А. Н., Самокиш А. В. Параметрическая идентификация в обратных задачах теплопроводности в условиях интервальной неопределенности на основе нейронных сетей. Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2020;284:6–18.

Япаров Д. Д., Карманов Д. Е., Япарова Н. М. Метод обработки информации для прогнозирования степени восстановления металлов на основе нейросетевых технологий. Вестник УрФО. Безопасность в информационной сфере. 2025;1:29–36. DOI: 10.14529/secur250103.

Алифанов О. М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение; 1988. 280 с.

Тихонов А. Н. Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Изд-во МГУ; 1999. 799 с.

Лукин С. В. Режим нагрева и термостатирования слябов в печи при горячем посаде. Металлург. 2018;7:54–58.

Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение; 2003. 784 с.

Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС; 2009. 784 с.

Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. СПб.: Лань; 2009. 608 с.

Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука; 1995. 512 с.

Япарова Н. М. Численный метод решения некоторых обратных задач теплопроводности с неизвестными начальными условиями. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2015;152:97–108. DOI: 10.14529/ctcr150211.

Япаров Д. Д., Шестаков А. Л. Cаморегуляризирующий метод динамических измерений. Автоматика и телемеханика. 2024;4:112–124. DOI: 10.31857/S0005231024040073.

Downloads

Download data is not yet available.