Динамические процессы развития трещиноватости фрактального типа: модели для твердотельного материала камеры энергетической установки в процессе ее эксплуатации

Исследованы закономерности формирования и развития дефектов в ответственных металлических деталях и элементах машиностроения, включая энергоустановки и тепловые машины разного класса. Рассмотрены вопросы динамических процессов развития микро- и нанотрещиноватых структур фрактального типа от очагов напряжения в твердотельном материале/металле внутренней камеры с рабочим веществом энергетических устройств в условиях разных режимов их функционирования. При этом регулярность, детерминированность и стохастичность может реализовываться по разным хорошо известным сценариям, что проиллюстрировано на примере ряда режимов. Обсуждается также возможность развития дислокаций и обратимости таких процессов – образования неоднородностей и трещин. Проанализированы модификации и развитие 3D-трещиноватой структуры в материале с использованием простых аналитических соотношений с соответствующими топологическими отображениями внутри материала с выходом фрактальных объектов на поверхность камеры. Хотя проведенный анализ является модельным в общей постановке с известными алгоритмами представления, тем не менее он основан на соответствующих физических принципах, имеет явное практическое значение в аспекте определения тенденций и направлений для оценки надежности и долговечности работы подобных установок. Все это позволяет на качественном уровне оценивать тенденцию в развитии неустойчивостей и дефектов, которые могут приводить в конечном итоге к разрушению твердотельной рабочей камеры различных энергетических установок. Наличие достоверной базы данных по их характеристикам и по режимам работы рабочего вещества в реальных условиях с численными параметрами должно позволить в рамках рассмотренных представлений осуществлять предсказательное моделирование и прогноз долговечности безопасной и устойчивой работы подобных устройств и управлять их режимами с учетом соответствующего метрологического обеспечения.

1. 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.

2. Рыжова, Т. В. Идентификация математической модели процессов тепло- и массопереноса в псевдоожиженном слое по результатам эксперимента / Т. В. Рыжова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 1999. № 6. С. 75–78.

3. Гидродинамическое сопротивление унифицированного модульного рекуператора нагревательных и термических печей заготовительного и механосборочного комплексов машиностроительных и автотракторных заводов / А. П. Несенчук [и др.] // Вестник Белорусского национального технического университета. 2007. № 4. С. 20–23.

4. 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.

5. Анализ эффективности использования различных типов рекуператоров в нагревательных печах металлургического производства / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2008. № 5. С. 46–53.

6. Абляция тонких пленок молибдена с поверхности прозрачных подложек лазерными импульсами фемтосекундной длительности / А. Е. Гулевич [и др.]. Минск: Бел. навука, 2012. С. 339–340.

7. Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов: учебное пособие / С. М. Аракелян [и др.]; под общ. ред. С. М. Аракеляна. М.: Логос, 2015. 744 с.

8. Несенчук, А. П. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: в 2 ч. / А. П. Несенчук, В. И. Тимошпольский; под общ. ред. А. П. Несенчука. Минск: БНТУ, 2008. Ч. 1. 525 с.

9. Несенчук, А. П. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: в 2 ч. / А. П. Несенчук, В. И. Тимошпольский / под общ. ред. А. П. Несенчук. Минск: БНТУ, 2008. Ч. 2. 530 с.

10. Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding / C. Barr [et al.] // Nature. 2023. Vol. 620. P. 552–556. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06223-0.

11. 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; van Dijk, N. Self-Healing Phenomena in Metals / N. van Dijk, S. van der Zwaag // Adv. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 5, Nо 17. P. 1800226. https://doi.org/10.1002/admi.201800226.

12. 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 // Metall Trans A. 1981. Vol. 12. P. 1435–1443. https://doi.org/10.1007/BF02643688.

13. К выбору способа оценки коэффициента теплоотдачи к вертикальному ребру рассольного теплообменника / Ю. А. Малевич [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 1998. № 6. С. 69–71.

14. Измерение скорости хладоносителя в межтрубном пространстве шахматных пучков рассольных теплообменников / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 1999. № 1. С. 58–61.

15. Рыжова, Т. B. Моделирование процессов возникновения и роста фрактальных структур и дефектов камер теплоэнергетических установок. Ч. 1 / Т. В. Рыжова, Д. Н. Бухаров, С. М. Аракелян // Наука и техника. 2023. T. 22, № 3. С. 231–242. https://doi.org/10.21122/ 2227-1031-2023-22-3-231-243.

16. Рыжова, Т. В. Моделирование процессов возникновения и роста фрактальных структур и дефектов камер теплоэнергетических установок. Ч. 2 / Т. В. Рыжова, Д. Н. Бухаров, С. М. Аракелян // Наука и техника. 2023. Т. 22, № 4. С. 333–341. https://doi.org/10.21122/ 2227-1031-2023-22-4-333-341.

17. Определение неравномерности прогрева контрольного сечения массивной штанги при нагреве в камерной печи кузнечного отделения заготовительного производства машиностроительного завода / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2003. № 2. С. 52–55.

18. 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. № 1. С. 52–66. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-52-66.

19. Экспериментальная оценка теплоотдачи в ограниченном пространстве при работе вихревого теплогенератора в системе теплоснабжения / А. П. Несенчук [и др.] // Наука – образованию, производству, экономике: материалы Десятой междунар. науч.-техн. конф.: в 4 т. / Белорусский национальный технический университет; редкол.: Б. М. Хрусталев, Ф. А. Романюк, А. С. Калиниченко. Минск: БНТУ, 2012. Т. 1. С. 109–110.

20. Экспериментальное изучение скорости десорбции при импульсном нагреве микросферической частицы цеолита / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2000. № 4. С. 85–89.

21. Griffith, A. A. 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. P. 163–198. https://doi.org/10.1098/rsta.1921.0006.

22. Температурные графики нагрева эвтектоидных сталей / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2011. № 6. С. 62–65.

23. О целесообразности использования вихревого теплогенератора при реализации теплоснабжения объектов, работающих в условиях чрезвычайных ситуаций / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2012. № 1. С. 45–51.

24. Уточненная численная модель тепло- и массопереноса в термопсевдоожиженном гравитационном потоке системы очистки искусственных горючих газов от диоксида углерода / А. П. Несенчук [и др.] // Литье и металлургия. 2001. № 3. С. 83–85.

25. Энергоэкологический анализ сжигания горючих газов в нагревательных печах металлургических и машиностроительных заводов / Б. С. Сорока [и др.] // ИФЖ. 2001. Т. 74, № 4. С. 84–88.

26. Расчет и конструирование современных газопламенных установок для нагрева и термообработки металла / В. И. Тимошпольский [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2008. № 4. С. 34–43.

27. Эффективность использования топлива в идеальном цикле ГТУ с изобарным подводом теплоты / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2013. № 2. С. 43–48.

28. Нанооптика тонкопленочных лазерно-индуцированных топологических структур на поверхности твердого тела: фундаментальные явления и их приложения / С. Н. Багаев [и др.] // Известия РАН. Сер. физическая. 2020. T. 84, № 12. С. 1682–1695. https://doi.org/ 10.31857/s0367676520120066.

29. Formation of Fractal Dendrites by Laser-Induced Melting of Aluminum Alloys / A. Kucherik [et al.] // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, № 4. P. 1043. https://doi.org/10.3390/nano11041043.

30. Динамические и квантовые эффекты в кластерных низкоразмерных многослойных твердотельных наноструктурах для элементной базы микро- и наноэлектроники / С. М. Аракелян [и др.] // Известия РАН. Сер. физическая. 2022. T. 86, № 4. C. 834–840. https://doi.org/10.31857/S0367676522060047.

31. Самарский, А. А. Вычислительная теплопередача / А. А. Самарский, П. Н. Вабищевич. М.: URSS, 2020. 784 с.

32. Гликман, Б. Ф. Математические модели пневмогидравлических систем / Б. Ф. Гликман. М.: Наука, 1986. 368 с.

33. 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.

34. К выбору источника теплоснабжения мобильного строительного сооружения / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2014. № 2. С. 67–73.

35. Энерготехнологическая установка на базе нагревательной печи прокатного стана с опцией производства / В. А. Седнин [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. № 2. С. 127–142. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-127-142.

36. Zaitsev, D. A. A Generalized Neighborhood for Cellular Automata / D. A. Zaitsev // Theoretical Computer Science. 2017. Vol. 666. Р. 21–35. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2016.11.002.

37. Goldenberga, J. Using Cellular Automata Modeling of the Emergenceof Innovations / J. Goldenberga, S. Efronib // Technological Forecasting & Social Change. 2001. № 68. P. 293–308.

38. Богданова, Е. А. Имитационное моделирование как инструмент принятия решений [Электронный ресурс] / Е. А. Богданова, А. А. Шерстянкина // Novaum. 2017. № 6. Режим доступа: http://novaum.ru/public/p181.

39. Козлов, Г. В. Кластерная модель аморфного состояния полимеров / Г. В. Козлов, В. У. Новиков // УФН. 2001. Т. 171, № 7. С. 717–764. https://doi.org/10.3367/ufnr.0171.200107b.0717.

40. 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.

41. Mandelbrot, B. B. Fractals and Chaos: The Mandelbrot Set and Beyond / B. B. Mandelbrot. New York: Springer-Verlag, 2004. 308 p.

42. 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. 10.1134/S0044451019070137.

43. Арнольд, В. И. Теория катастроф / В. И. Арнольд. 3-е изд., доп. М.: Наука, 1990. 128 с.

44. Чернышев, С. Н. Трещины горных пород / С. Н. Чернышев. М.: Наука, 1983. 293 с.

45. Мартинсон, Л. К. Дифференциальные уравнения математической физики / Л. К. Мартинсон, Ю. И. Малов; под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. 4-е изд., стер. М.: МГТУ имени Баумана, 2011. 369 с. (Сер. Математика в техническом университете; Вып. XII).