Anomalous solute transport in complex media Abstract


 Fractional derivative models for anomalous


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Bog'liq
7-203-216

2 Fractional derivative models for anomalous
transport
2.1 Time-fractional derivative model
The following time-fractional Feller diffusion equation can model subdiffusion with-
out drift:
𝜕
α
c(xt)
𝜕
t
α
=
𝜕
2
c(xt)
𝜕
x
2
,
(2)
in which is the effective diffusion coefficient, d
α
/
dt
α
is the Caputo fractional deriva-
tive, α ∈ (0, 1] is the order of the fractional derivative, and c(xt) denotes the transition
probability (which represents the concentration of solutes in aquifers, rivers, or soil).
When c(x, 0) = δ(x), the MSD described by model (2) in an unbounded domain can be
written as

x
2
(
t)⟩ = 2Kt
α
Γ(1 + α)
,
(3)
which describes subdiffusion for α ∈ (0, 1).
2.2 Space-fractional derivative model
Spatial non-local transport of solutes can be caused by preferential flow paths in het-
erogeneous aquifers and natural soil (or fractal systems), or the velocity field mixed


196
| H. G. Sun et al.
with turbulence [30]. In this case the solute concentration distribution in space is of-
ten found to be non-Gaussian and may follow Lévy distribution. Superdiffusion can
be characterized by the following space-fractional derivative model:
𝜕
c(xt)
𝜕
t
=
𝜕
β
c(xt)
𝜕|
x|
β
,
(4)
where 1 < β ≤ 2 is the order of the space-fractional derivative.

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