Самопроизвольное зарастание трещиноватости в рабочих камерах энергетических газожидкостных тепловых установок – диффузионные динамические процессы

. 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.

1. Strong 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Москалев, П. В Анализ структуры перколяционного кластера / П. В. Москалев // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, вып. 6. С. 1–7.

9. 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.

10. 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.

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.

12. 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.

13. Хрусталев, Б. М. Техническая термодинамика: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. Минск: Технопринт, 2004. Ч. 1. 486 с.

14. 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.

15. Шашин, В. М. Гидромеханика: учеб. для техн. вузов / В. М. Шашин. М.: Высш. шк., 1990. 384 с.

16. Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла / А. П. Несенчук, Н. П. Жмакин. Минск: Вышэйш. шк., 1974. 295 с.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

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

25. Трифонова, Т. А. Горное речное русло: энергетическая модель формирования / Т. А. Трифонова // Доклады Академии наук. 1994. Т. 337, № 3. С. 398–400.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. Рабинович, М. И. Введение в теорию колебаний и волн / М. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. М.: Наука, 1984. 432 с.

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

31. 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.

32. 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.

33. 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.