КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-29-00411
НазваниеРазработка компьютерных программ и методики их применения для создания новых технологий, использующих эффекты концентрации термодинамических сил в многофазных и неоднородных материалах
РуководительСачков Игорь Николаевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем
Ключевые словаСинтез материалов, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, двухфазные материалы, порошковая металлургия, термообработка, электрические контактные материалы, направленная кристаллизация, лазерная обработка, переконденсация, деградация, термопрочность, синергетика
Код ГРНТИ29.17.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В соответствии с Указом Президента № 642 «О стратегии НТР РФ», одним из приоритетных направлений научных разработок является «переход к передовым цифровым производственным технологиям». В предлагаемом проекте предлагается продолжить развитие ранее начатых авторами работ по компьютерному моделированию технологических и эксплуатационных процессов, происходящих в двух- и много-фазных материалах.
Ранее, в течение последних 5 лет, авторами проекта были созданы компьютерные программы на основе метода конечных элементов (МКЭ), позволяющие анализировать и сопровождать ряд технических процессов. Полученные на их основе данные компьютерных экспериментов позволили обнаружить ряд ранее неизвестных синергетических процессов, развивающихся по сценариям «с обострением». В течение последних пяти лет нами были впервые установлены следующие процессы, которые могут быть отнесены к синергетическим.
1) Обнаружено, что при распространении потоков тепла в двухфазных жаропрочных материалах в определенных точках среды возникают концентраторы, инициирующие лавинообразный процесс формирования трещин; https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012354.
2) Установлено, что электрический пробой увлажненных поверхностей может сопровождаться возникновением самоорганизующихся кластеров. Обнаруженный эффект является существенным фактором при оценке риска поражения электрическим током, https://doi.org/10.1063/1.5133571.
3) Показано, что в двухфазных материалах электрических контактов в определенных точках среды возникают концентраторы выделения Джоулевой мощности, которые могут инициировать возникновение лавинообраного процесса разрастания трещин (AIP Conference Proceedings. Volume 2343, 30 March 2021, Номер статьи 040012).
4) Представлена возможность формирования анизотропии материалов, синтезируемых методом порошковой металлургии с подогревом электрическим током. Процесс имеет синергетический характер. (AIP Conference Proceedings. Volume 2293, 24 November 2020, Номер статьи 120017).
5) Исследован ряд особенностей формирования зон испарения и конденсации в процессах лазерной обработки материалов (AIP Conference
Proceedings. Volume 2293, 24 November 2020, Номер статьи 120018).
В цитированных выше работах рассматривались процессы концентраци термодинамических сил: градиента температуры в жаропрочных материалах, напряженности электрического поля в процесссх электрического пробоя, плотности выделения Джоулева тепла и градиента концентрации диффундирующей компоненты паров испаряемой смеси. Рассмотренные процессы имеют признаки синергетических, происходящих с обострением.
Цитируемые работы осуществлялись по личной инициативе авторов, без использования какой-либо сторонней финансовой поддержки.
Цель предлагаемого проекта – развитие начатого нами научного направления – «Разработка компьютерных программ и методики их применения для создания новых технологий, использующих эффекты концентрации термодинамических сил в многофазных и неоднородных материалах».
Ожидаемые результаты
В течение ближайших двух лет будут проведены исследования в следующих направлениях.
1. Поиск совокупности управляющих параметров для предложенного нами ранее процесса создания новых анизотропных, в частности, волокнистых электрических контактных материалов методом порошковой металлургии с использованием подогрева заготовок электрическим током.
2. Исследование возможности возникновения синергетических процессов, инициируемых твердофазными реакциями в контактных и резистивных многофазных материалах, в частности, сплавов на основе Pd-Cu.
3. Создание компьютерных моделей на основе метода конечных
элементов, позволяющих исследовать эффекты деградации резистивных и контактных материалов, вызываемые синергетическим формированием в них слоистых выделений. По мнению авторов, инициатором, запускающим процесс разрастания дефектов может служить инцидент, связанный с превышением силы тока выше номинального.
4. Поисковая работа в направлении создания технологии разделения компонент многофазного материала под действием лазерного или иного светового воздействия. В частности, предполагается оценить эффективность разделения изотопов с использованием «чистой энергии» солнечного света.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Наш проект «Разработка компьютерных программ и методики их применения для создания новых технологий, использующих эффекты концентрации термодинамических сил в многофазных и неоднородных материалах» направлен на исследования процессов, происходящих в двух- и многофазных технических материалах.
При распространении в них потоков тепла, электрического тока и других субстанций возникает недостаточно изученная, до настоящего времени, особенность. Линии тока приобретают существенно нелинейный характер. В областях границ отдельных частиц многофазного материала происходит либо сгущение, либо разрежение линий тока распространяющихся субстанций. Рассматриваемый эффект приводит к концентрации значений термодинамических сил в одних точках среды и падение их величины - в других.
В частности, нашей исследовательской группой ранее было обнаружено, что если тепловой поток распространяется через двухфазный огнеупорный материал, то на границе включения и матрицы градиент температуры увеличивается в десятки раз, в сравнении со средним градиентом по материалу. Концентрация термических напряжений может инициировать трещину, которая еще более увеличивает термический градиент. Были обнаружены и другие подобные же явления, например, значительное усиление вероятности электрического пробоя поверхности, покрытой каплями воды, с учетом возникновения синергетического процесса с обострением.
В 2023 мы начали проект по систематическому изучению возможностей концентрации термодинамических сил, предназначенный для развития новых технологий синтеза. Нами обнаружена возможность формирования своеобразных волокон при синтезе материалов методом порошковой металлургии. Волокна могут, по-видимому, возникать, если нагревать заготовку электрическим током. Применение электрического тока для синтеза изотропных материалов известно уже давно, между тем формирование анизотропии в порошковых материалах является, по нашему мнению, новым приемом.
Интересным объектом исследований является деградация электрических контактов. До настоящего времени процессы протекания тока значительно идеализировали. В наших исследованиях обнаружились возможности концентрации тепловыделения Джоулева тепла, что приводит к разогреву локальных точек, которая в более чем 50 раз превышает средний разогрев по контактной поверхности.
Неожиданный результат обнаружился при компьютерном моделировании процесса проникновения электрического поля через биологическую ткань. Выяснилось, что внешнее электрическое поле концентрируется на стенках кровеносных сосудов, при этом напряженность поля увеличивается более чем в 20 раз в сравнении со средней его величиной. Следует заметить, что в последние пять лет выяснилось, что электрическое поле существенно меняет физико-химические свойства обычной воды. Особенно важно то, что существенно меняется ее реакционная способность. В последнее десятилетие оказалось, что СВЧ-излучение является одним из важнейших вредных экологических факторов. Проведенные нами исследования указывают, что кровеносные сосуды являются одной из главных «мишеней» электромагнитного поля. Таким образом, медикам необходимо учитывать, что именно области концентрации могут оказаться источником нарушений, как функционального, так и мутагенного характера.
В дальнейшем одним из интереснейших объектов способен оказаться процесс испарения-конденсации летучих веществ в неоднородно нагретых пространствах. Дело в том, что у распространяющихся паров существует мало изученная до сих пор возможность формирования очерченных зон конденсации. Ранее автором настоящей работы ранее было обнаружено, что положение границ подобных зон зависит от величины теплоты испарения летучего агента и особенностей температурного поля. В настоящем проекте мы бы хотели найти такую конфигурацию пространственной зависимости температуры, при которой, например, можно пары легкой воды осаждать в одном месте, а тяжелой – немножечко в другой. А ведь тяжелая вода – источник ядерного топлива, дейтерия! Основная проблема состоит в эффективности процесса, в сравнении с существующими, традиционными. Тем не менее автор считает необходимым провести эту «пробную» работу.
В заключение необходимо отметить, что концентрация термодинамических в определенных точках двухфазного материала является дополнительным инструментом воздействия на него. По мнению автора, исследования закономерностей явления «концентрации сил» являются достаточно интересными.
Публикации
1. Сачков И.Н., Турыгина В.Ф., Турыгин Е.Э. FEM simulation of the support of heat treatment processes using electric heating AIP Conference Proceedings, I.N.Sachkov, V.F. Turygina, E.E. Turygin. (2024). FEM simulation of the support of heat treatment processes using electric heating. AIP Conference Proceedings, 4 pp. (год публикации - 2024)
2. Тарасьев А.М., Турыгина В.Ф. Architectural approach for designing innovation processes in the digital ecosystem: regional aspect AIP Conference Proceedings, A.M.Tarasyev, V.F. Turygina (2024). Architectural approach for designing innovation processes in the digital ecosystem: regional aspect. AIP Conference Proceedings, 4 pp. (год публикации - 2024)
3. Сачков Игорь Николаевич, Турыгина Виктория Федоровна Программа на языке Фортран расчета плотности выделений Джоулева тепла двухфазных двумерных матричных систем, содержащих круглые включения, различающиеся проводимостью и размером, JOUFR -, 2023613931 (год публикации - )