satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2023-22-3-231-243sat-2674Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGМоделирование процессов возникновения и роста фрактальных структур и дефектов камер теплоэнергетических установок. Часть 1Modeling Processes of Emergence and Growth of Fractal Structures and Chamber Defects of Thermal Power UnitsРыжоваТ. B.RyzhovaT. V.

Кандидат технических наук

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

Владимир

Vladimir

АракелянС. М.ArakelyanS. M.

Доктор физико-математических наук, профессор

Владимир

Vladimir

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхРоссияVladimir State University A. G. and N. G. StoletovsRussian Federation202307062023223231242Copyright © Рыжова Т.B., Бухаров Д.Н., Аракелян С.М., 20232023Рыжова Т.B., Бухаров Д.Н., Аракелян С.М.Ryzhova T.V., Bukharov D.N., Arakelyan 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://sat.bntu.by/jour/article/view/2674

Рассматривается моделирование возникновения и роста возможных фрактальных структур и дефектов на внутренней поверхности камер тепловых энергетических установок, допускающих контролирование и регулирование развития таких стохастических динамических процессов. Речь идет об использовании процедур моделирования для приводимого анализа, имеющих достаточно универсальный характер в рамках определенных подходов. Приведено общее качественное рассмотрение моделирования процессов как осаждения материалов на твердую поверхность различных сложных конфигураций, так и возникновения ее трещиноватости и дефектов фрактальных типов. В первой части проводится аналогия процессов возникновения и роста фрактальных структур и дефектов камер с лазерными процессами управляемого осаждения веществ на поверхность твердого тела и роста ее трещиноватости. Развит ряд моделей возникновения и роста фрактальных неоднородностей разного типа и конфигураций на твердой поверхности с выявлением возможности их предварительного мониторинга на начальном этапе появления. При этом проанализированы как различные поверхности в виде покрытий, так и образование трещиноватости и кластерных зон неоднородностей и дефектов. Акцент в ходе исследований сделан на анализе регулируемой их структуры, а также на динамике роста трещиноватости и кластерных зон неоднородностей и дефектов в определенном направлении. На начальном этапе осуществлялся мониторинг указанного процесса образования в пространстве трещиноватости и кластерных зон неоднородностей и дефектов с различным масштабированием: нано- и микромасштабами. Данное исследование проведено в рамках аналогии в условиях: во-первых, заданного управления характеристиками подобных объектов в соответствующем лазерном эксперименте; во-вторых, наличия реальной возможности обеспечения их образования на внутренних поверхностях камер при контакте с рабочим веществом; в-третьих, возможности влияния таких структур  на эффективность работы тепловых энергетических установок разного типа в контексте достижения нужной направленности и/или нежелательности изменения показателей и характеристик установок с учетом закономерностей технической термодинамики.

The paper considers modeling the emergence and growth of possible fractal structures and defects on the inner surface of the chambers of thermal power units, which allow control and regulation of the development of such stochastic dynamic processes. We are talking about the use of modeling procedures for the given analysis, which are quite universal in the framework of certain approaches. A general qualitative consideration of the modeling of processes such as the deposition of materials on a solid surface of various complex configurations, and the occurrence of its fracturing and defects of fractal types, is given. In the first part, we consider an analogy between the processes of the emergence and growth of fractal structures and chamber defects with laser processes of controlled deposition of substances on the surface of a solid body and the growth of its fracturing. A number of models have been developed for the emergence and growth of fractal inhomogeneities of various types and configurations on a solid surface with identification of the possibility of their preliminary monitoring at the initial stage of their appearance. At the same time, both various surfaces in the form of coatings and the formation of fracturing and cluster zones of inhomogeneities and defects have been analyzed. The emphasis in the course of research has been made both on the analysis of their regulated structure, and also on the dynamics of the growth of fracturing and cluster zones of heterogeneities and defects in a certain direction. At the initial stage, the indicated process of formation of fractures and cluster zones of inhomogeneities and defects in space was monitored with different scaling: nano- and microscales. This study has been carried out within the framework of an analogy under the following conditions: firstly, given control over the cha-racteristics of similar objects in the corresponding laser experiment; secondly, the presence of a real possibility of ensuring their formation on the inner surfaces of the chambers in contact with the working substance; thirdly, the possibility of such structures influencing on the efficiency of various types of thermal power units in the context of achieving the desired direction and/or undesirability of changing the indicators and characteristics of units taking into account the laws of technical thermodynamics.

дефекты и неоднородности поверхностимоделированиекамеры теплоэнергетических установокфрактальная структурааналогия с лазерными процессамизаданное осаждение структурпредварительная диагностикауправляемое воздействиевлияние на режим работыdefects and inhomogeneities of surfacesmodelingchambers for thermal power unitsfractal structureanalogy with laser processescontrolled target deposition of structurespreliminary diagnosticscontrollable impactinfluence on working regimeReferencesХрусталев, Б. М. Техническая термодинамика: учеб. для строит. и энергетич. специальностей вузов: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. Минск: Технопринт, 2004. Ч. 1. 486 с.Khroustalev B. M., Nesenchuk A. P., Romanyuk V. N. (2004) Technical Thermodynamics. Part 1. Minsk, Tekhnoprint Publ, 486 (in Russian).Техническая термодинамика: учеб. для машиностроит. 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. N., Petrazhitskii G. B., Pylaev A. M., Khvostov V. I., Shishov E. V. (1991) Technical Thermodynamics. 3rd еd. Moscow, Vysshaya Shkola Publ, 384 (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. (1974) Thermal Calculations of Flame Furnaces for Heating and Heat Treatment of Metal. Minsk, Vyshayshaya Shkola Publ, 295 (in Russian).Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / В. Я. Панченко [и др.]; под ред. В. Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.Panchenko V. Ya. (ed.), [et al.] (2009) Laser Technologies for Material Processing: Modern Problems of Fundamental Research and Applied Development. Moscow, Fizmatlit Publ, 664 (in Russian).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.Arakelyan S. M., Kucherik A. O., Prokoshev V. G., Rau V. G., Sergeev A. G. (2015) Introduction to Femtonanophotonics: Fundamental Principles and Laser Methods for the Controlled Production and Diagnostics of Nanostructured Materials. Moscow, Logos Publ, 744 (in Russian).Benderskiy, B. Numerical Simulation of Intrachamber Process in the Power Plant / B. Benderskiy, P. Frankovský, A. Chernova // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, No 11. P. 4990. https://doi.org/10.3390/app11114990.Benderskiy B., Frankovsky P., Chernova A. (2021) Numerical simulation of Intrachamber Process in the Power Plant. Applied Sciences, 11 (11), 4990. https://doi.org/10.3390/app11114990.Convective Heat Transfer In the Channel Entrance with a Square Leading Edge Under Forced Flow Pulsations / I. A. Davletshin [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 129. P. 74–85. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.066.Davletshin I. A., Mikheev N. I., Paereliy A. A., Gazizov I. M. (2019) Convective Heat Transfer In the Channel Entrance with a Square Leading Edge Under Forced Flow Pulsations. International Journal of Heat and Mass Transfer, 129, 74–85. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.066.Ильин, А. П. Структура, свойства и проблемы аттестации нанопорошков металлов / А. П. Ильин, А. В. Коршунов, Л. О. Толбанова // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. 2009. Т. 314, № 3: Химия. С. 35–40.Ilyin A. P., Korshunov A. V., Tolbanova L. O. (2009) Structure, Properties and Problems of Certification of Metal Nanopowders. Izvestiya Tomskogo Politekhnicheskogo Universiteta [Bulletin of Tomsk Polytechnic University], (3 Khimiya [Chemistry]), 35–40 (in Russian).Сумм, Б. Д. Коллоидно-химические аспекты нанохимии – от Фарадея до Пригожина / Б. Д. Сумм, Н. И. Иванова. Вестник МГУ. Сер. 2, химия, 2001. Т. 42, № 5. С. 300–305.Summ B. D., Ivanova N. I. (2001) Colloid-Chemical Aspects of Nanochemistry – From Faraday to Prigizhine. Vestn. Mosk. Un-ta. Ser. 2. Chemistry, 42 (5), 300–305 (in Russian).Страумал, Б. Б. Фазовые переходы на границах зерен / Б. Б. Страумал; Рос. акад. наук. Ин-т физики твердого тела. М.: Наука, 2003. 327 с.Straumal B. B. (2003) Phase Transitions at Grain Boundaries. Moscow, Nauka Publ, 327 (in Russian).Действие излучения большой мощности на металлы / С. И. Анисимов [и др.]; под ред. А. М. Бонч-Бруевича, М. А. Ельяшевича. М.: Наука. 1970. 272 с.Anisimov S. I., Imas Ya. A., Romanov G. S., Khodyko Yu. V. (1970) Effect of High Power Radiation on Metals. Moscow, Nauka Publ, 272 (in Russian).Скотт, Э. Нелинейная наука. Рождение и развитие когерентных структур / Э. Скотт; пер. с англ. И. А. Макарова; под ред. А. Л. Фрадкова. 2-е изд. М.: Физматлит, 2007. 559 с.Scott A. (2003) Nonlinear Science: Emergence and Dynamics of Coherent Structures. Oxford University Press, 480.Гликман, Б. Ф. Математические модели пневмогидравлических систем / Б. Ф. Гликман. М.: Наука, 1986. 368 с.Glikman B. F. (1986) Mathematical Models of Pneumohydraulic Systems. Moscow, Nauka Publ, 368 (in Russian).Лепешов, С. И. Гибридная нанофотоника / С. И. Лепешов [и др.] // УФН. 2018. Т. 188, № 11. С. 1137–1154. https://doi.org/10.3367/ufne.2017.12.038275.Lepeshov S. I., Krasnok A. E., Belov P. A., Miroshnichenko A. E. (2018) Hybrid Nanophotonics. Physics-Uspekhi, 61 (11), 1035–1050. https://doi.org/10.3367/ufne.2017.12.038275.Chaudhery, M. H. Handbook of Nanomaterials for Industrial Applications / M. H. Chaudhery. Elsevier, 2018. 1109 p.Chaudhery M. H. (2018) Handbook of Nanomaterials for Industrial Applications. Elsevier, 1109 (in Russian).Осаждение биметаллических кластеров Au/Ag с использованием метода лазерного осаждения наночастиц из коллоидных систем / А. А. Антипов [и др.] // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 116, № 2. С. 349–352.Antipov A. A., Arakelian S. M., Kutrovskaya S. V., Kucherik A. O., Vartanian T. A. (2014) Deposition of Bimetallic Au/Ag Clusters Using Laser Deposition of Nanoparticles from Colloidal Systems. Optics and Spectroscopy, 116 (2), 324–327. https://doi.org/10.1134/s0030400x14020039.Guido, G. A Practical Implementation of the Box Counting Algorithm / G. Guido// Computers & Geosciences. 1998. Vol. 24, Nо 1. P. 95–100. https://doi.org/10.1016/s0098-3004(97)00137-4.Guido G. (1998) A practical Implementation of the Box Counting Algorithm. Computers & Geosciences, 24 (1), 95–100. https://doi.org/10.1016/s0098-3004(97)00137-4.Mroczka, J. Algorithms and Methods for Analysis of the Optical Structure Factor of Fractal Aggregates / J. Mroczka, M. Wozniak, F. R. A. Onofri // Metrol. Meas. Syst. 2012. Vol. 19, № 3. P. 459–470. https://doi.org/10.2478/v10178-012-0039-2.Mroczka J., Wozniak M., Onofri F. R. A. (2012) Algorithms and Methods for Analysis of the Optical Structure Factor of Fractal Aggregates. Metrology and Measurement Systems, 19 (3), 459–470. https://doi.org/10.2478/v10178- 012-0039-2.Крайнов, А. Ю. Численные методы решения задач тепло- и массопереноса / А. Ю. Крайнов, Л. Л. Миньков. Томск: STT, 2016. 92 с.Kraynov A. Yu., Minkov L. L. (2016) Numerical Methods for Solving Problems of Heat and Mass Transfer. Tomsk, STT Publ, 92 (in Russian).Slade, G. Self-Avoiding Walk, Spin Systems and Renormalization / G. Slade // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2019. Vol. 475, Iss. 2221. https://doi.org/10.1098/rspa.2018.0549.Slade G. (2019) Self-Avoiding Walk, Spin Systems and Renormalization. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 475 (2221), 20180549. https://doi.org/10.1098/rspa.2018.0549.Geometric Structure of Percolation Clusters / X. Xu [et al.] // Phys. Rev. E. 2014. Vol. 89, Nо 1. P. 012120. https://doi.org/10.1103/physreve.89.012120.Xu X., Wang J., Zhore Z., Garoni T. M., Deng Y. (2014) Geometric Structure of Percolation Clusters. Physical Review E, 89 (1), 012120. https://doi.org/10.1103/physreve.89.012120.Прусова, И. В. Основы механики разрушения: учебно-методическое пособие / И. В. Прусова, В. М. Романчак, О. В. Титюра. Минск: БНТУ, 2009. 100 с.Prusova I. V., Romanchak V. M., Tityura O. V. (2009) Fundamentals of Fracture Mechanics: Teaching Aid. Minsk, Belarusian National Technical University. 100 (in Russian).Григорьянц, А. Г. Оборудование для лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров; под ред. А. Г. Григорьянц. М.: Изд-во МГТУ, 2022. 285 с.Grigoryants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. (2022) Laser Processing Equipmenmt. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 285 (in Russian).Gross, M. S. Computer Simulation of the Processing of Engineering Materials with Laser Theory and First Applications / M. S. Gross, I. Black, W. H. Mueller // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2003. Vol. 36, Nо 7. P. 929–938. https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/7/324.Gross M.S., Black I., Mueller W. H. (2003) Computer simulation of the Processing of Engineering Materials with Laser Theory and First Applications. Journal of Physics D: Applied Physics, 36 (7), 929–938. https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/7/324.Абляция тонких пленок молибдена с поверхности прозрачных подложек лазерными импульсами фемтосекундной длительности / А. Е. Гулевич [и др.]. Минск: Беларуская навука, 2012. С. 339–340.Gulevich A. E., Kisel' V. E., Kuleshov N. V., Rudenkov A. S. (2012) Ablation of thin Films of Molybdenum From the Surface of Transparent Substrates by Femtosecond Laser Pulses. Minsk, Belaruskaya Navuka Publ, 339–340 (in Russian).

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