Неразрушающий контроль методом зеркального обращения времени

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 проекта 22-21-00759

НазваниеНеразрушающий контроль методом зеркального обращения времени

Руководитель Решетова Галина Витальевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые слова волны в упругих средах, численное моделирование, напряжённо-деформированное состояние, нарушение сплошности среды, акустическая эмиссия

Код ГРНТИ27.35.16

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Обеспечение безопасности уже существующих сложных инженерных сооружений, таких как плотины гидроэлектростанций, фундаменты и несущие конструкции высотных зданий, железнодорожные и автомобильные туннели и другие подземные сооружения, в частности трубопроводы различного назначения, шахты и рудники имеет такое же важное значение, как и строительство новых объектов. Поэтому применение и дальнейшее развитие методов дистанционных наблюдений в целях обеспечения неразрушающего контроля постоянно входит в круг наиболее актуальных направлений исследований широкого круга специалистов в области механики, математики и высокопроизводительных вычислений. Настоящий проект посвящён развитию инновационных методов неразрушающего контроля целостности объектов на основе сбора, обработки и интерпретации данных акустической/сейсмической эмиссии (АЭ). Акустическая эмиссия есть процесс, возникающий в результате высвобождения накопленной энергии упругих деформаций при образовании совокупностей микротрещин, каверн и других микронеоднородностей, обусловленных разрывом сплошности среды. Её возникновение, как правило, обусловлено внешним воздействием на объект, что приводит к необходимости изучения условий контакта объекта и окружающей его геологической среды. АЭ неизбежно возникает, когда накопленные напряжения в некоторых локализованных областях превышают предел прочности материала. Следовательно, акустическая эмиссия связана с напряжённо-деформированным состоянием объекта/среды. Реконструкция источников АЭ позволит локализовать области с повышенной вероятностью развития в них нарушений сплошности среды/объекта, дальнейшее развитие которых может привести к катастрофическому разрушению объекта и\или изучаемой области сплошной среды. В ходе выполнения проекта основное внимание предполагается уделить развитию и обоснованию нового подхода к локализации источников акустической\сейсмической эмиссии применительно к неразрушающему контролю\дефектоскопии путём использования метода зеркального обращения времени (в английском языке Time Reversal Mirror, TRM). Эта процедура основана на временной инвариантности процесса распространения акустических\сейсмических волн в сплошной среде, а именно, на том факте, что процессы распространения волн в прямом и обратном времени описываются одними и теми же уравнениями. В силу единственности решения начально-краевой задачи для гиперболических уравнений, к которым относятся системы уравнений, описывающие распространение акустических и упругих колебаний, возникает возможность «обратить» во времени зарегистрированные данные для конкретного волнового процесса. Идея метода заключается в использовании приёмников, регистрирующих сигналы АЭ в качестве источников, которые излучают зарегистрированное ими волновое поле в обратном времени, то есть от t=T (время окончания регистрации) до начального момента t=0. В силу инвариантности волнового процесса во времени и единственности решения соответствующей начально-краевой задачи, волновое поле к начальному моменту времени должно «схлопнуться» в точку источника, его породившего. Однако в силу того, что источник неизвестен, мы должны использовать нулевую правую часть при математическом моделировании процесса. В силу этого решение должно быть регулярным и, следовательно, в источнике будет формироваться некоторая гладкая составляющая, имеющая локальное разрастание и по времени и по пространству. Другими словами, если выполняется такая процедура для одного источника, включающегося в некоторый фиксированный момент времени, то в момент его включения в точке, где он располагался будет наблюдаться локальное разрастание амплитуды. Если имеется скопление таких источников, включающихся в разные моменты времени в разных точках пространства, нам не удастся определить ни времена их включения, ни точки их расположения. Для того, чтобы преодолеть эту проблему необходимо ввести некоторую меру локализации энергии. Мы предлагаем использовать в качестве такой меры упругую энергию, «накопленную» в каждой точке расчётной области вплоть до текущего момента времени. Изучение «моментальных снимков» пространственной и временной локализации упругой энергии позволит достаточно надёжно определить и время включения источников, и их расположение в пространстве. В ходе выполнения проекта нами будут изучены различные способы пространственно-временной локализации источников АЭ и проведён сравнительный анализ их разрешающей способности. Заметим, что разработанное нами программное обеспечение и накопленный опыт моделирования сейсмических волновых полей в неоднородных средах, позволит в короткий срок применить имеющийся научный задел коллектива для решения задачи построения изображений источников АЭ. Уверенность в успешной реализации проекта придают предварительные результаты, полученные нами в области лабораторных испытаний образцов керна. При нагружении образец керна начинает разрушаться вдоль поверхностей скоплений микротрещин, возникших ещё в пластовых условиях. В свою очередь, пространственное распределение таких скоплений тесно связано с геометрией областей концентрации наиболее сильных напряжений в изучаемой геологической формации. Знание таких областей играет существенную роль при решении ряда геомеханических задач, например, при выполнении гидроразрыва пласта. Полученные нами в этом направлении результаты показали эффективность применения метода зеркального обращения времени для восстановления событий АЭ применительно к дефектоскопии образцов керна. Как видно из представленного выше сжатого описания, реализация данного подхода невозможна без наличия методов численного моделирования трёхмерных акустических\сейсмических волновых полей и соответствующего программного обеспечения. Так как практический интерес вызывает локализация источников акустической эмиссии в трёхмерном пространстве, её успешная реализация невозможна без привлечения высокопроизводительных вычислительных систем с параллельной архитектурой. Учитывая современные тенденции развития таких систем, в ходе выполнения работ по проекту в части выбора конкретной архитектуры вычислительных систем предполагается ориентация на использование многоядерных вычислительных систем на основе использования графических процессоров (GPU – Graphic Processor Unit) и новых возможностей Coarray Fortran. Имеющееся у нас собственное программное обеспечение для моделирования сейсмических волновых полей ориентировано на многопроцессорные системы на основе CPU, поэтому переход на GPU и Coarray Fortran потребует определённых усилий, но сулит несомненные выгоды за счёт более широкого круга пользователей созданного программного обеспечения. Таким образом, в результате выполнения проекта будет создан принципиально новый метод изучения напряжённо деформированного состояния изучаемых инженерных объектов и связанной с ними геологической среды. Одной из целей данного проекта нам представляется проведение полной обработки полученных данных без вмешательства человека, поскольку в настоящее время интерпретация выполняется непосредственно специалистом и не предусматривает пока автоматизированной обработки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Решетова Г.В., Галактионова А.А. Reconstruction of subsurface scattering objects by the Time Reversal Mirror Сибирские электронные математические известия, Том 19, № 2, стр. 517-527 (год публикации - 2022)
10.33048/semi.2022.19.043

2. Галактионова А.А., Решетова Г.В. Реконструкция рассеивающих объектов путем зеркального обращения времени Геофизика, № 3, стр. 76-81 (год публикации - 2022)

3. Решетова Г.В., Койнов В.В. Parallel implementation of the seismic sources recovery in randomly heterogeneous media Lecture Notes in Computer Science (LNCS) (год публикации - 2022)

4. Юркевич Н.В., Анчугов А.В., Кучер Д.О. Применение метода электротомографии для контроля хода фильтрационного эксперимента на образцах керна Сборник статей по материалам международного научного конгресса «Интерэкспо Гео-Сибирь», Т. 2, № 2, с. 45-53 (год публикации - 2022)
10.33764/2618-981X-2022-2-2-45-53

5. Галактионова А.А. Применение метода зеркального обращения времени для реконструкции рассеивающих объектов Сборник научных материалов 23-ей уральской молодежной научной школы по геофизике, Екатеринбург, 2022, c. 38-42 (год публикации - 2022)

6. Койнов Виталий Викторович Восстановление положения сейсмических источников в случайно-неоднородных средах методом зеркального обращения времени Сборник научных материалов 23-ей уральской молодежной научной школы по геофизике, Екатеринбург, 2022, с. 89-93 (год публикации - 2022)

7. Галактионова А. А., Решетова Г. В. Метод зеркального обращения времени в применении к задаче реконструкции рассеивающих объектов Тезисы Международной конференции «Марчуковские научные чтения-2022», 3-7 октября 2022 г., 156 с., с. 66-67 (год публикации - 2022)
10.24412/cl-35065-2022-1-00-81

8. Галактионова А.А., Решетова Г.В. Реконструкция рассеивающих объектов путём зеркального обращения времени Труды V Международной геолого-геофизической конференции «ГеоЕвразия-2022. Геологоразведочные технологии: наука и бизнес», Труды V Международной геолого-геофизической конференции Том. 3, стр. 68-71 (год публикации - 2022)

9. Койнов В.В. Параллельная реализация алгоритма восстановления сейсмического источника по серии статистически идентичных моделей среды используя Fortran Coarray Вычислительные методы и программирование, 24 (1), стр. 55–66 (год публикации - 2023)
10.26089/NumMet.v24r105

10. Роменский Е.И., Решетова Г.В. Computational Modeling of Temperature-Dependent Wavefields in Fluid-Saturated Porous Media Lecture Notes in Computer Science, Lecture Notes in Computer Science, vol. 14106, Р. 103-115. (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-37111-0_8

11. Галактионова А.С., Решетова Г.В. Parallel Implementation of the Time-Reversal Mirror Method for Retrieving the Position and Type of a Seismic Source from Observational Data Communications in Computer and Information Science, vol. 1868, Р. 182-196 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-38864-4_13

12. Галактионова А.С., Решетова Г.В. Parallel Algorithm for Source Type Recovering by the Time Reversal Mirror Lecture Notes in Computer Science (LNCS) (год публикации - 2023)

13. Анчугов А.В. Акустический сепаратор для измерения объёма вытесненного флюида из образца керна горной породы и применение алгоритма Байера для автоматического определения времени первого вступления ультразвуковых волн Труды 24 международной конференции “ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В НАУКАХ О ЗЕМЛЕ”, 25-27 сентября, г.Москва, 29 сентября 2023, Борок. Россия., Труды 24 международной конференции “ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В НАУКАХ О ЗЕМЛЕ”, 25-27 сентября, г.Москва, 29 сентября 2023, Борок. Россия. Страницы 21-24. (год публикации - 2023)

14. Анчугов А.В. Применение просветляющих слоёв в конструкции ультразвуковых датчиков для измерения скоростей прохождения ультразвуковых волн через образцы керна горной породы в атмосферных условиях Труды 24 международной конференции “ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В НАУКАХ О ЗЕМЛЕ”, 25-27 сентября, г.Москва, 29 сентября 2023, Борок. Россия. (2023 г.), Материалы 24 международной конференции «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», 25-27 сентября, г.Москва, 29 сентября 2023, Борок. Россия. Страницы 24-28. (год публикации - 2023)

15. Койнов В.В. Метод зеркального обращения времени для случайно неоднородных сред Материалы 60-й Международной научной студенческой конференции 10 – 20 апреля 2022 г, Новосибирск. Том: Математика, Том: Математика, стр. 25 (год публикации - 2022)

Публикации