ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ КОНВЕКЦИИ-ДИФФУЗИИ ДРОБНОГО ПОРЯДКА ДЛЯ ПРОГНОЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-279-289
Аннотация
В работе представлен численный метод решения уравнения конвекции-диффузии с производными дробного порядка в смысле Капуто для моделирования загрязнения воздуха в городской среде. Разработанная конечно-элементная схема учитывает эффекты памяти, обеспечивая более точное описание переноса загрязняющих веществ по сравнению с классическими моделями. Теоретически доказаны устойчивость и сходимость метода, что подтверждено численными экспериментами. Модель эффективно определяет зоны накопления загрязнений и позволяет прогнозировать качество воздуха при различных метеоусловиях. Результаты исследования имеют практическое значение для совершенствования систем экологического мониторинга и планирования мер по снижению загрязненности воздуха.
Ключевые слова
Об авторах
А. К. БакишевКазахстан
докторант
г. Усть-Каменогорск
М. Н. Мадияров
Казахстан
ассоц. профессор, к.т.н.
г. Усть-Каменогорск
Н. Б. Алимбекова
Казахстан
ассоц. профессор, PhD
г. Усть-Каменогорск
Д. Р. Байгереев
Казахстан
ассоц. профессор, PhD
г. Усть-Каменогорск
Ж. Б. Байшемиров
Казахстан
ассоц. профессор, PhD
г. Алматы
Список литературы
1. Manisalidis I., Stavropoulou E., Stavropoulos A. and Bezirtzoglou E. Environmental and Health Impacts of Air Pollution: A Review // Frontiers in Public Health. – 2020. – Vol. 8. http://dx.doi.org/10.3389/fpubh.2020.00014
2. Piracha A., Chaudhary M.T. Urban Air Pollution, Urban Heat Island and Human Health: A Review of the Literature // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. – No. 15. – P. 9234. http://dx.doi.org/10.3390/su14159234.
3. Zhang X., Han L., Wei H. and et al. Linking urbanization and air quality together: A review and a perspective on the future sustainable urban development // Journal of Cleaner Production. – 2022. – Vol. 346. – P. 130988. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130988.
4. Abbaszadeh M., Azis M.I., Dehghan M. and Mohammadi-Arani R. Reduced order model for simulation of air pollution model and application in 2D urban street canyons via the meshfree gradient smoothing method // Computers & Mathematics with Applications. – 2023. – Vol. 140. – P. 195–210. http://dx.doi.org/10.1016/j.camwa.2023.03.009.
5. Leelőssy Á., Molnár F., Izsák F. and et al. Dispersion modeling of air pollutants in the atmosphere: a review // Open Geosciences. – 2014. – Vol. 6. – No. 3. http://dx.doi.org/10.2478/s13533-012-0188-6.
6. Dong G., Guo Z. and Yao W. Numerical methods for time-fractional convection-diffusion problems with high-order accuracy // Open Mathematics. – 2021. –Vol. 19. – No. 1. – P. 782–802 http://dx.doi.org/10.1515/math-2021-0036.
7. Alimbekova N.B. and Oskorbin N. M. Study of the initial boundary value problem for a two-dimensional convection-diffusion equation with a fractional time derivative in the sense of Caputo-Fabrizio // Journal of Mathematics, Mechanics and Computer Science. – 2021. – Vol. 110. – No. 2. http://dx.doi.org/10.26577/JMMCS.2021.v110.i2.10.
8. Kamran, Kamal R., Rahmat G. and Shah K. On the Numerical Approximation of Three-Dimensional Time Fractional Convection-Diffusion Equations // Mathematical Problems in Engineering. – 2021. – P. 1–16. http://dx.doi.org/10.1155/2021/4640467.
9. Aniley W.T. and Duressa G.F. Uniformly convergent numerical method for time-fractional convection–diffusion equation with variable coefficients // Partial Differential Equations in Applied Mathematics. – 2023. – Vol. 8. – P. 100592. http://dx.doi.org/10.1016/j.padiff.2023.100592.
10. Jung C.Y. Numerical approximation of convection–diffusion equations in a channel using boundary layer elements // Applied Numerical Mathematics. – 2006. – Vol. 56. – No. 6. – P. 756–777. http://dx.doi.org/10.1016/j.apnum.2005.06.005.
11. Liu F., Anh V. and Turner I. Numerical solution of the space fractional Fokker–Planck equation // Journal of Computational and Applied Mathematics. – 2004. – Vol. 166. – No. 1. – P. 209–219. http://dx.doi.org/10.1016/j.cam.2003.09.028.
12. Chabokpour J. Integrative multi-model analysis of river pollutant transport: advancing predictive capabilities through transient storage dynamics and fractional calculus approaches // Acta Geophysica. – 2024. – Vol. 73. – P. 2835–2849. http://dx.doi.org/10.1007/s11600-024-01496-z.
13. Barrios-Sánchez J.M., Baeza-Serrato R. and Martínez-Jiménez L. Fractional Calculus to Analyze Efficiency Behavior in a Balancing Loop in a System Dynamics Environment // Fractal and Fractional. – 2024. – Vol. 8. – No. 4. – P. 212. http://dx.doi.org/10.3390/fractalfract8040212.
14. Esmaeili S., Shamsi M. and Luchko Yury. Numerical solution of fractional differential equations with a collocation method based on Müntz polynomials // Computers & Mathematics with Applications. – Vol. 62. – No. 3. – P. 918–929. http://dx.doi.org/10.1016/j.camwa.2011.04.023.
15. Daraghmeh A., Qatanani N. and Saadeh A. Numerical Solution of Fractional Differential Equations // Applied Mathematics. 2020. – Vol. 11. – No. 11. – P. 1100–1115. http://dx.doi.org/10.4236/am.2020.1111074.
16. Alsidrani F., Kılıçman A. and Senu N. On the Modified Numerical Methods for Partial Differential Equations Involving Fractional Derivatives // Axioms. – 2023. – Vol. 12. – No. 9. – P. 901. http://dx.doi.org/10.3390/axioms12090901.
17. Alimbekova N., Berdyshev A., Madiyarov M. and Yergaliyev Y. Mathematics. – 2024. – Vol. 12. – No. 16. – 2519. http://dx.doi.org/10.3390/math12162519.
18. Baigereyev D., Alimbekova N., Berdyshev A. and Madiyarov M. Convergence Analysis of a Numerical Method for a Fractional Model of Fluid Flow in Fractured Porous Media // Mathematics. – 2021. – Vol. 9. – No. 18. – P. 2179. http://dx.doi.org/10.3390/math9182179.
19. Zhang W., Capilnasiu A., Sommer G. and et al. An efficient and accurate method for modeling nonlinear fractional viscoelastic biomaterials // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2020. – Vol. 362. – P. 112834. http://dx.doi.org/10.1016/j.cma.2020.112834.
20. Zhang Y., Sun Z. and Liao H. Finite difference methods for the time fractional diffusion equation on non-uniform meshes // Journal of Computational Physics. – 2014. – Vol. 265. – P. 195–210. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2014.02.008
Рецензия
Для цитирования:
Бакишев А.К., Мадияров М.Н., Алимбекова Н.Б., Байгереев Д.Р., Байшемиров Ж.Б. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ КОНВЕКЦИИ-ДИФФУЗИИ ДРОБНОГО ПОРЯДКА ДЛЯ ПРОГНОЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА. Вестник Казахстанско-Британского технического университета. 2025;22(2):279-289. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-279-289
For citation:
Bakishev A.K., Madiyarov M.N., Alimbekova N.B., Baigereyev D.R., Baishemirov Z.D. NUMERICAL SOLUTION OF A FRACTIONAL CONVECTION-DIFFUSION EQUATION FOR AIR POLLUTION PREDICTION. Herald of the Kazakh-British Technical University. 2025;22(2):279-289. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-279-289