energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2024-67-4-345-362energy-2391Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGСамопроизвольное зарастание трещиноватости в рабочих камерах энергетических газожидкостных тепловых установок – диффузионные динамические процессыSpontaneous Overgrowth of Jointing in the Working Chambers of Power Gas-Liquid Thermal Installations – Diffusion Dynamic ProcessesРыжоваТ. B.RyzhovaT. V.

Адрес для переписки:Рыжова Татьяна Викторовна –Белорусский национальный технический университет, просп. Партизанский,77, 220107, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 250-36-95tatsiana.rizhova@yandex.by

Address for correspondence:Ryzhova Tatiana V. –Belarusian National Technical University,77, Partizansky Ave.,220107, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 250-36-95tatsiana.rizhova@yandex.by

 

tatsiana.rizhova@yandex.byБухаровД. Н.BukharovD. N.

г. Владимир

Vladimir

АракелянМ. М.ArakelianM. M.

г. Ереван

Yerevan

АракелянС. М.ArakelianS. M.

г. Владимир

Vladimir

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхРоссияVladimir State UniversityRussian FederationЕреванский государственный университетАрменияYerevan State UniversityArmenia202412082024674345362Copyright © Рыжова Т.B., Бухаров Д.Н., Аракелян М.М., Аракелян С.М., 20242024Рыжова Т.B., Бухаров Д.Н., Аракелян М.М., Аракелян С.М.Ryzhova T.V., Bukharov D.N., Arakelian M.M., Arakelian S.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2391

Рассмотрены вопросы образования неоднородностей и трещин и эффекты их самопроизвольного заживления на известных принципах и представлениях нелинейной динамики и квантовых технологий для полноты описания картины возможных процессов. При этом самопроизвольное зарастание микронеоднородностей в твердотельных/металлических изделиях, подобные дефекты в которых возникают при различных режимах их эксплуатации, обсуждается на примере теплоэнергетических установок разного типа с циклическими процессами и вибрациями. Механизм такого заживления/холодной сварки определяется динамическими процессами нестационарной диффузии с временными характеристиками в рамках соответствующих модельных представлений. Рассматривается модель диффузионно-ограниченной агрегации дефектов/частиц, реализованная методом клеточного автомата с окрестности Неймана, модель случайного и баллистического осаждения, а также перколяционный подход. Описывается процесс модификации и развития 3D-трещиноватой структуры на основании теории нагрузок Гриффитса для дислокаций с учетом поэтапного последовательного перехода от устойчивого состояния к стадии роста. В результате действия таких динамических нагрузок в твердотельном объекте наблюдается быстрое изменение параметров микротрещиноватости, которое можно представлять как локальные микровзрывы: рост и слияние природных микротрещин в более крупные; зарождение новых микротрещин; раскрытие крупных микротрещин с образованием дефектов следующего иерархического уровня. В обзорном аспекте рассмотрены хорошо известные в математике и физике универсальные режимы функционирования нелинейной динамической системы, пригодные для анализа стабильности и устойчивости работы тепловых энергетических установок. Происходящие процессы связываются с разными типами и стратегиями развития неоднородностей, такими как: коллапс и стагнация, устойчивая периодичность, параметры «в разнос», хаотическое развитие в определенных рамках, срыв/внезапный кризис, резкий скачок и рывок в развитии. Предложенные подходы могут быть полезны в задачах повышения реального эксплуатационного состояния камер с рабочим веществом в энергетических установках при их функционировании в различных режимах работы.

The issues of the formation of inhomogeneities and cracks as well as the effects of their spontaneous healing are considered on the well-known principles and concepts of nonlinear dynamics and quantum technologies in order to fully describe the picture of possible processes of the genesis of heterogeneities and their self-organization. At the same time, the process of spontaneous overgrowth of micro-inhomogeneities in solid-state/metal products, such defects in which occur under different operating conditions, is discussed on the example of thermal power plants of various types with cyclic processes and vibrations. The mechanism of such healing is determined by dynamic processes of unsteady diffusion with certain temporal characteristics evaluated within the framework of the corresponding model concepts. A model of diffusion-limited aggregation of defects/particles implemented by the cellular automaton method from the Neumann neighborhood, a model of random and ballistic deposition, as well as a percolation approach are considered. The process of modification and development of a 3D fractured structure based on the Griffiths load theory for dislocations is described, taking into account the gradual sequential transition from a stable state to a growth stage. As a result of the action of such dynamic loads in a solidstate object, a rapid change in the parameters of microcracking is observed, which can be represented as local micro-explosions, viz. the growth and fusion of natural microcracks into larger ones; the emergence of new microcracks; the disclosure of large microcracks with the formation of defects of the next hierarchical level. In the overview aspect, the universal modes of operation of a nonlinear dynamic system, well-known in mathematics and physics and suitable for analyzing the stability and sustainability of thermal power plants, are considered. The ongoing processes are associated with different types and strategies for the development of heterogeneities, such as: collapse and stagnation; stable periodicity; parameters “at odds”; chaotic development within certain limits; disruption/sudden crisis; a sharp leap and a breakthrough in development. The proposed approaches can be useful in improving the real operational condition of chambers with working matter in power plants when they operate in various operating modes. 

камеры теплоэнергетических установокнестационарная диффузиязаживление трещинпрофили реконструкции трещинchambers of thermal power plantsunsteady diffusioncrack healingcrack reconstruction profilesЧастично работа выполнена в рамках государственных заданий в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации FZUN-2023-0003 и FZUN-2024-0018.ReferencesStrong Interplay Between Stripe Spin Fluctuations, Nematicity and Superconductivity in FeSe / Q. Wang [et al.] // Nature Materials. 2015. Vol. 15, Nо 2. P. 159–163. https://doi.org/ 10.1038/nmat4492.Wang Q., Shen Y., Pan B., Hao Y., Ma M., Zhou F., Steffens P., Schmalzl K., Forrest T. R., Abdel-Hafiez M., Chen X., Chareev D. A., Vasiliev A. N., Bourges P., Sidis Y., Cao H., Zhao J. (2015) Strong Interplay Between Stripe Spin Fluctuations, Nematicity and Superconductivity in FeSe. Nature Materials, 15 (2), 159–163. https://doi.org/10.1038/nmat4492.Беланков, А. Б. Применение клеточных автоматов для моделирования микроструктуры материала при кристаллизации / А. Б. Беланков, В. Ю. Столбов // Сиб. журн. индустр. матем. 2005. T. 8, № 2. С. 12–19.Belankov A. B., Stolbov V. Yu. (2005) The Use of Cellular Automata for Modeling the Microstructure of a Material during Crystallization. Sibirskii Zhurnal Industrial'noi Matematiki = Siberian Journal of Industrial Mathematics, 8 (2), 12–19 (in Russian).Formation of Fractal Dendrites by Laser-Induced Melting of Aluminum Alloys / A. Kucherik [et al.] // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, Nо 4. P. 1043. https://doi.org/10.3390/nano11041043.Kucherik A., Samyshkin V., Prusov E., Osipov A., Panfilov A., Buharov D., Arakelian S., Skryabin I., Kavokin A. V., Kutrovskaya S. (2021) Formation of Fractal Dendrites by Laser-Induced Melting of Aluminum Alloys. Nanomaterials, 2021, 11 (4), 1043. https://doi.org/ 10.3390/nano11041043.Mehrer, H. Diffusion in Intermetallics / H. Mehrer // Materials Transactions, JIM. 1996. Vol. 37, Nо 6. P. 1259–1280. https://doi.org/10.2320/matertrans1989.37.1259.Mehrer H. (1996) Diffusion in Intermetallics. Materials Transactions, JIM, 37 (6), 1259–1280. https://doi.org/10.2320/matertrans1989.37.1259.Forgerini, F. L. A Brief Review of Mathematical Models of Thin Film Growth and Surfaces / F. L. Forgerini, R. Marchiori. Biomatter. 2014. Vol. 4, Nо 1. P. e28871. https://doi.org/10. 4161/biom.28871.Forgerini F. L., Marchiori R. (2014). A Brief Review of Mathematical Models of Thin Film Growth and Surfaces. Biomatter, 4 (1), e28871. https://doi.org/10.4161/biom.28871.Björk, M. Discrete Simulation Models of Surface Growth: SA104X Degree Project in Engineering Physics, First Level / M. Björk, E. Deng. Royal Institute of Technology, 2014. 19 pp.Björk M., Deng E. (2014) Discrete Simulation Models of Surface Growth: SA104X Degree Project in Engineering Physics, First Level. Royal Institute of Technology. 19.Family, F. Scaling of the Active Zone in the Eden Process on Percolation Networks and the Ballistic Deposition model / F. Family, T. Vicsek // Journal of Physics A: Mathematical and General. 1985. Vol. 18, Nо 2. P. L75–L81. https://doi.org/10.1088/0305-4470/18/2/00.Family F., Vicsek T. (1985). Scaling of the Active Zone in the Eden Process on Percolation Networks and the Ballistic Deposition model. Journal of Physics A: Mathematical and General, 18 (2), L75–L81. https://doi.org/10.1088/0305-4470/18/2/005.Москалев, П. В Анализ структуры перколяционного кластера / П. В. Москалев // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, вып. 6. С. 1–7.Moskalev P. V. (2009) Analysis of the Percolation Cluster Structure. Technical Physics, 54 (6), 763–769. https://doi.org/10.1134/s1063784209060012.Autonomous Healing of Fatigue Cracks via Cold Welding / C. M. Barr [et al.] // Nature. 2023. Vol. 620. P. 552–556. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0.Barr C. M., Duong T., Bufford D. C., Milne Z., Molkeri A., Heckman A., Adams D. P., Srivastava A., Hattar K., Demkowitcz M. J., Boyce B. L. (2023) Autonomous Healing of Fatigue Cracks via Cold Welding. Nature, 620, 552–556. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0.Suresh, S. Oxide-Induced Crack Closure: An Explanation for Near-Threshold Corrosion Fatigue Crack Growth Behavior / S. Suresh, G. F. Zamiski, D. R. O. Ritchie // Metallurgical and Materials Transactions A. 1981. Vol. 12, Nо 8. P. 1435–1443. https://doi.org/10.1007/ bf02643688.Suresh S., Zamiski G. F., Ritchie D. R. O. (1981). Oxide-Induced Crack Closure: An Explanation for Near-Threshold Corrosion Fatigue Crack Growth Behavior. Metallurgical and Materials Transactions A, 12 (8), 1435–1443. https://doi.org/10.1007/bf02643688.Xu, G. Crack Healing in Nanocrystalline Palladium / G. Xu, M. J. Demkowicz // Extreme Mechanics Letters. 2016. Vol. 8. P. 208–212. https://doi.org/10.1016/j.eml.2016.03.011.Xu G., Demkowicz, M. J. (2016) Crack Healing in Nanocrystalline Palladium. Extreme Mechanics Letters, 8, 208–212. https://doi.org/10.1016/j.eml.2016.03.011.Van Dijk, N. Self-Healing Phenomena in Metals / N. Van Dijk, S. van der Zwaag // Advanced Materials Interfaces. 2018. Vol. 5, Iss. 17. Art. 1800226. https://doi.org/10.1002/admi. 201800226.Van Dijk N., van der Zwaag S. (2018) Self-Healing Phenomena in Metals. Advanced Materials Interfaces, 5 (17), 1800226. https://doi.org/10.1002/admi.201800226.Хрусталев, Б. М. Техническая термодинамика: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. Минск: Технопринт, 2004. Ч. 1. 486 с.Khrustalev B. M., Nesenchuk A. P., Romanyuk V. N. (2004) Technical Thermodynamics. Part 1. Minsk, Technoprint Publ. 486 (in Russian).Техническая термодинамика: учеб для машиностроительных специальностей вузов / В. И. Крутов [и др.]; под ред. В. И. Крутова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991. 384 с.Krutov V. I., Isaev S. I., Kozhinov I. A., Kozlov N. P., Kofanov V. I., Mironov B. M., Nikitin V. M., Petrazhitskii G. B., Pylaev A. M., Khvostov V. I., Shishov E. V. (1991) Technical Thermodynamics. 3rd Ed. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 384 (in Russian).Шашин, В. М. Гидромеханика: учеб. для техн. вузов / В. М. Шашин. М.: Высш. шк., 1990. 384 с.Shashin V. M. (1990) Fluid Mechanics. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 384 pp. (in Russian).Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла / А. П. Несенчук, Н. П. Жмакин. Минск: Вышэйш. шк., 1974. 295 с.Nesenchuk A. P. Zhmakin N. P. Thermal Calculations of Flame Furnaces for Heating and Heat Treatment of Metal. Minsk, Vysheishaya Shkola Publ. 295 (in Russian).Рекуператор для регенеративного теплоиспользования тепловых отходов промышленных печей: пат. BY 13292 / А. П. Несенчук, В. И. Тимошпольский, А. П. Ракомсин, П. С. Гурченко, Н. Л. Мандель, В. Н. Шишков, Т. В. Рыжова, С. М. Кабишов, С. С. Ковалев, В. А. Хлебцевич. Oпубл.: 30.06.2010.Nesenchuk A. P., Timoshpol'skii V. I., Rakomsin A. P., Gurchenko P. S., Mandel' N. L., Shishkov V. N., Ryzhova T. V., Kabishov S. M., Kovalev S. S., Khlebtsevich V. A. (2010) Recuperator for Regenerative Heat Utilization of Thermal Waste from Industrial Furnaces. Patent No 13292 Republic of Belarus (in Russian).Стойкость унифицированного модульного чугунного рекуператора нагревательных печей высокотемпературных теплотехнологий машиностроительных и автотракторных предприятий / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2010. № 3. С. 48–54.Nesenchouk A. P., Shidlovsky V. V., Ryzhova T. V., Shklovchik D. I., Kovalev S. S. (2010) Resistance of Cast Iron Unified Module Recuperator of Heating Furnaces with High-Temperature Thermal Technologies at Machine Building, Automotive and Tractor Enterprises. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (3), 48–54 (in Russian).Рыжова, Т. В. Идентификация математической модели процессов тепло- и массопереноса в псевдоожиженном слое по результатам эксперимента // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 1999. № 6. С. 75–78.Ryzhova T. V. (1999) Identification of a Mathematical Model of Heat and Mass Transfer Processes in a Fluidized Bed Based on Experimental Results. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (6), 75–78 (in Russian).К расчету унифицированного модульного рекуператора (модули М-I и М-II) для нагревательных и термических печей заготовительного и механосборочного производств машиностроительных и автотракторных заводов Республики Беларусь / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2007. № 4. С. 47–51.Nesenchuk A. P., Mandel N. L., Shishkov V. N., Novgorodova G. S., Ryzhova T. V., Pshonik M. G., Kachar A. R. (2007) About Calculation of Unified Module Recuperator (Module M-I and M-II) for Heating and Thermal Furnaces at Blanking and Machine Assembling Shops of Engineering, Automotive and Tractor Plants in Republic of Belarus. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (4), 47–51 (in Russian).Griffith, A. A. (1921). The Phenomena of Rupture and Flow in Solids / A. A. Griffith // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1921. Vol. 221, N 582–593. P. 163–198. https://doi.org/10.1098/rsta.1921.0006.Griffith A. A. (1921). The Phenomena of Rupture and Flow in Solids. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 221 (582–593), 163–198. https://doi.org/10.1098/rsta.1921.0006.Scott, A. Nonlinear Science: Emergence and Dynamics of Coherent Structures / A. Scott. New York: Oxford University Press, 2003. https://doi.org/10.1093/oso/9780198528524.001.0001.Scott A. (2003) Nonlinear Science: Emergence and Dynamics of Coherent Structures. New York, Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780198528524.001.0001.Mandelbrot, B. B. Fractals and Chaos: The Mandelbrot Set and Beyond / B. B. Mandelbrot. New York: Springer-Verlag, 2004. 308. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-4017-2.Mandelbrot B. B. (2004) Fractals and Chaos: The Mandelbrot Set and Beyond. New York, Springer-Verlag. 308. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-4017-2.Чернышев, С. Н. Трещины горных пород / С. Н. Чернышев. М.: Наука, 1983. 293 с.Chernyshev S. N. (1983) Mountain Rock Cracks. Moscow, Nauka Publ. 293 (in Russian).Трифонова, Т. А. Горное речное русло: энергетическая модель формирования / Т. А. Трифонова // Доклады Академии наук. 1994. Т. 337, № 3. С. 398–400.Trifonova T. A. (1994) Mountain Riverbed: an Energy Model of Formation. Doklady Akademii Nauk, 337 (3), 398–400 (in Russian).Zaitsev, D. A. A Generalized Neighborhood for Cellular Automata / D. A. Zaitsev // Theoretical Computer Science. 2017. Vol. 666. P. 21–35. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2016.11.002.Zaitsev D. A. (2017). A Generalized Neighborhood for Cellular Automata. Theoretical Computer Science, 666, 21–35. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2016.11.002.Кулаков, А. В. Введение в физику нелинейных процессов / А. В. Кулаков, А. А. Румянцев; отв. ред. В. Е. Фортов; кол. авт. Академия наук СССР, Ин-т физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина. М.: Наука, 1988. 160 с.Kulakov A. V., Rumyantsev A. A. (1988) Introduction to the Physics of Nonlinear Processes. Moscow, Nauka Publ. 160 (in Russian).Связь поверхностной самодиффузии и подвижности пузырей в твердом теле: теория и атомистическое моделирование / А. С. Антропов [и др.] // ЖЭТФ. 2019. Т. 156, вып. 1. С. 125–134. https://doi.org/10.1134/S0044451019070137.Antropov A. S., Ozrin V. D., Stegailov V. V., Tarasov V. I. (2019) Relationship between Surface Self-Diffusion and Bubble Mobility in Solids: Theory and Atomistic Simulation. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 129 (1), 103–111. https://doi.org/10.1134/S1063 776119060098.Рабинович, М. И. Введение в теорию колебаний и волн / М. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. М.: Наука, 1984. 432 с.Rabinovich M. I., Trubetskov D. I. (1984) Introduction to the Theory of Oscillations and Waves. Moscow, Nauka Publ. 432 (in Russian).Арнольд, В. И. Теория катастроф / В. И. Арнольд. Изд. 3-е, доп. М.: Наука, 1990. 128 с.Arnold V. I. (1990) Catastrophe Theory. 3rd еd. Moscow, Nauka Publ. 128 (in Russian).Путь в синергетику. Экскурс в десяти лекциях / Б. П. Безручко [и др.] // Известия вузов. ПНД. 2005. Т. 13, вып. 6. С. 170–175. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2005-13-5-170-175.Bezruchko B. P., Koronovskii A. A., Trubetskov D. I., Hramov A. E. The way to Synergy. Excursion in ten Lectures. Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics, 2005, vol. 13, iss. 6, pp. 170–175 (in Russian). https://doi.org/10.18500/0869-6632-2005-13-5-170-175.Численный анализ характеристик процесса тепловой обработки многослойных композитных изделий в теплотехнологических установках / В. Н. Романюк [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 1. С. 52–66. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-52-66.Romaniuk V. N., Niyakovskii A. M., Chichko A. N., Yatskevich Yu. V., Ryzhova Т. N. (2022) Numerical Analysis of the Characteristics of the Heat Treatment Process of Multilayer Composite Products in Heat Technology Installations. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (1), 52–66. https://doi. org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-52-66 (in Russian).Динамические процессы развития трещиноватости фрактального типа: модели для твердотельного материала камеры энергетической установки в процессе ее эксплуатации / Т. В. Рыжова [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 2. С. 152–172. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-2-152-172.Ryzhova T. V., Bukharov D. N., Arakelian M. M., Arakelyan S. M. (2024) Dynamic Processes of 33. Development Jointing of a Fractal Type: Models for a Solid-State Material of the Chamber in a Power Facility during its Operation. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 67 (2), 152–172. https://doi.org/10. 21122/ 1029-7448-2024-67-2-152-172 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.