итоговый отчет
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Р. ДЕРЖАВИНА»
УДК 541.1
№ госрегистрации 01201278754
Инв.№ 14.В37.21.0638/2
УТВЕРЖДАЮ Ректор ТГУ имени Г.Р. Державина д-р эконом.наук, профессор
______________ В. М. Юрьев «30» сентября 2013 г.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Шифр заявки «2012-1.2.2-12-000-1008-015»
Соглашение на предоставление гранта от 17 августа 2012 г. № 14.В37.21.0638 с дополнительным соглашением от 18 марта 2013 г. № 1
по теме:
НЕПРЕРЫВНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ, РАЗРУШЕНИЯ И РОСТА ЛЬДА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕДВЕСТНИКИ РАЗРУШЕНИЯ
(этап 2, итоговый)
Наименование этапа: «Комплексные исследования взаимосвязи собственного электромагнитного и акустического излучения с кинетикой и морфологией неравновесной структуры льда»
Руководитель НИР, канд. физ.-мат. наук, доц.
_________________ М. А. Желтов
подпись, дата
Тамбов 2013
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Организация-Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»
Руководитель темы:
кандидат физикоматематических наук, доцент
Исполнители темы:
доктор физикоматематических наук, профессор кандидат физико-
математических наук, доцент кандидат физико-
математических наук, доцент кандидат технических
наук, без ученого звания
кандидат технических наук, без ученого звания
инженер, без ученой степени, без ученого звания
аспирант, без ученой степени, без ученого звания
аспирант, без ученой степени, без ученого звания аспирант, без ученой
степени, без ученого звания аспирант, без ученой
степени, без ученого звания аспирант, без ученой
степени, без ученого звания студент, без ученой
степени, без ученого звания студент, без ученой
степени, без ученого звания
______________________ Желтов М. А. ( введение, заключение,
подпись, дата раздел 1, 2, 3, 18)
______________________ Шибков А. А. (раздел 1, 2, 18)
подпись, дата
______________________ Дмитриевский А.А. (раздел 15)
подпись, дата
______________________ Шуклинов А.В. (раздел 8, 11)
подпись, дата
______________________ Золотов А. Е. (раздел 4, 5)
подпись, дата
______________________ Михлик Д.В. (раздел 4)
подпись, дата
______________________ Денисов А. А. (раздел 6)
подпись, дата
______________________ Новиков Г.В. (раздел 8)
подпись, дата
______________________ Титов С. А. (раздел 16)
подпись, дата
______________________ Ломакин В. В. (раздел 4, 9)
подпись, дата
______________________ Гасанов М.Ф. (раздел 17)
подпись, дата
______________________ Гребеньков О.В. (раздел 1, 12)
подпись, дата
______________________ Королева М.А. (раздел 1)
подпись, дата
______________________ Проскуряков К.А. (раздел 14)
подпись, дата
2
студент, без ученой степени, без ученого звания студент, без ученой
степени, без ученого звания
Нормоконтролер
______________________ Жигачев А.О. (раздел 7, 10)
подпись, дата
______________________ Шеин А.Н. (раздел 7)
подпись, дата
______________________ Лямин С.К.
подпись, дата
3
Реферат
Отчет 206 с., 18 ч., 69 рис., 0 табл., 317 источников, 0 прил.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пластическая релаксация, разрушение, неравновесный рост, межфазная граница лед-вода, электромагнитное излучение.
Представлен итоговый отчет по теме «Непрерывный электромагнитный мониторинг нестационарных процессов деформации, разрушения и роста льда и электромагнитные предвестники разрушения», выполненный в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Проект направлен на проведение комплексных исследований динамики и статистики нестационарных процессов пластической деформации, разрушения и роста льда и создание научной основы для разработки методов электромагнитного мониторинга динамических процессов структурообразования во льде при механическом и тепловом воздействии, а также в условиях контакта с нефтью.
Актуальность исследований связана с проблемами мониторинга и прогнозирования катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников, снежных лавина, распространение трещин в мерзлых грунтах, ледяных покровах водоемов и пр., а также проблемами навигации и нефтедобычи в арктических условиях.
В процессе выполнения запланированных работ подготовлена аналитическая документация и получены следующие результаты:
1.Проведен поиск литературных источников по тематике проекта, создана их база данных, которая включает монографии и статьи в отечественных реферируемых журналах (Кристаллография, Криосфера Земли, Физика твердого тела, Материаловедение, Деформация и разрушение материалов, Доклады РАН, Успехи физических наук и др.) и
зарубежных журналах (Nature, Physical Review, Physical Review Letters, Journal of Crystal Growth, Physica A, Atmospheric Research, International Journal of Fracture, и др.).
2.По результатам литературного поиска подготовлен и написан аналитический обзор (статей, монографий и т.д.) по проблеме исследования неустойчивых процессов структурной релаксации в диэлектриках (в том числе во льде) в условиях деформирования, разрушения и роста.
3.Разработан обоснованный план реализации поставленных задач, решение которых позволит установить соответствие между параметрами сигнала электромагнитной эмиссии и: 1) динамикой дислокационных скоплений и трещин в моно- и поликристаллическом льде; 2) кинетическими кривыми кристаллизации, пластической деформации и разрушения; 3) динамикой и морфологией неравновесного роста льда, а также разработать принципы идентификации активных дефектов и структурно-
4
кинетических элементов структуры льда по электромагнитному сигналу и оценивать in situ их роль в дефектообразовании кристалла льда при механическом или тепловом воздействии.
4.Протестирован электромагнитный метод исследования неустойчивой пластической деформации и трещинообразования в диэлектрических материалах и льде.
5.Разработан поляризационно-оптический метод регистрации дефектообразования во льде.
6.Разработана методика in situ исследования кинетики и морфологии межфазной границы лед-вода.
7.Разработаны и апробированы методы фрактального анализа изображений (структур разрушения и/или неравновесных форм роста льда) и сигналов акустической или электромагнитной эмиссии.
8.Выполнены работы по идентификации распространяющихся дислокационных скоплений и трещин в деформируемом льде по электромагнитному и акустическому сигналу. Обнаружено, что две группы сигналов электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) – импульсы I и II типа – отражают два основных нестационарных (в полосе частот ~10–105 Гц) процесса в деформируемом кристалле: скачкообразную пластическую деформацию и разрушение.
9.Проведено исследование динамики и статистики дислокационных лавин и трещин в деформируемом льде на основе электромагнитного мониторинга. Установлено, что вследствие существенного различия мгновенных скоростей пластического сдвига и распространения микротрещин, а, следовательно, характерных времен этих процессов, гистограмма передних фронтов импульсов ЭМЭ имеет седлообразный вид. Существование интервала «запрещенных» значений длительностей фронтов импульсов (седловая область гистограммы) может быть использовано для более точного разделения сигналов на импульсы I и II типов. Статистический анализ массива импульсов ЭМЭ I типа показывает, что с ростом деформации статистика скачков, связанных с зарождением полос скольжения или «простреливанием» дислокационных скоплений, постепенно эволюционирует от хаотической, с почти гауссовым распределением скачков-лавин, к «критической», со степенным законом распределения, которая свидетельствует о возникновении дальнодействующих корреляций дислокационной мезодинамики деформируемого поликристаллического льда. Обнаруженная корреляция функций суммарной площади трещин и суммарной амплитуды импульсов ЭМЭ II типа позволяет исследовать связь пространственных картин разрушения, выявляемых оптическим методом, и временной структурой сигнала ЭМЭ второго типа.
5
10.Проведены исследования хаоса и пространственно-временной самоорганизации трещин во льде. Установлено, что, так как сигнал ЭМЭ II типа вызван эволюцией трещин, то фрактальные пространственные картины разрушения связаны с фрактальностью соответствующего временного ряда – сигнала ЭМЭ.
11.На основе анализа картин разрушения и автокорреляционных характеристик электромагнитного сигнала-предвестника разрушения установлено, что эволюция пространственно-временной структуры мезо- и макротрещин в деформируемом поликристаллическом льде демонстрирует тенденцию к состоянию самоорганизующейся критичности, которое характерно для таких явлений, как землетрясения. Поэтому стремление к состоянию самоорганизующейся критичности сигнала ЭМЭ может быть использовано для предсказания развития катастрофической эволюции системы.
12.Проведены поляризационно-оптические исследования неравновесных форм роста льда в переохлажденной пресной и морской воде. Установлено большое разнообразие структур неравновесного роста в обоих случаях. Рассмотрен факт существенного влияния на морфологию и подвижность межфазной границы растворенных в воде солей. Подвижность межфазной границы лед-морская вода существенно ниже по сравнению с пресной, а сама граница более неустойчива, что отражается большей нестационарностью в сопутствующем электромагнитном сигнале.
13.Экспериментально протестированы механизмы ветвления дендритов льда: механизм селективного усиления теплового шума и механизм собственных осцилляций вершины дендрита. Установлено, что ветвление вызывается флуктуациями формы вершины дендрита (кривизны и скоростей точек фазовой границы в окрестности вершины), которые обусловлены флуктуациями направления роста вершины.
14.Изучена взаимосвязь электромагнитного сигнала со структурными особенностями растущего льда. Установлены основные формы электромагнитных откликов на формирование мезоскопической структуры льда при кристаллизации в переохлажденной воде.
15.Разработан механизм генерировании генерирования электромагнитного излучения при неравновесной кристаллизации водного раствора электролита на основе теории ВорксанаРейнольдса. Источником нестационарного электрического поля является неустойчивое поведение двойного электрического слоя, образующегося на движущейся межфазной границе.
16.Разработана методики непрерывного оптического, акустического и электромагнитного мониторинга ледяного покрова в условиях контакта с нефтью.
6
17. Проведены in situ исследования кинетики и морфологии роста льда в нефте-водной смеси при отрицательных температурах. Установлено, что при замерзании воды на первоначально гладкой межфазной границе нефть-лед возникает дтиффузный слой, состоящий из нефти, воды и льда, который растворяется при размораживании.
18 Выработаны рекомендации к использованию результатов проекта для решения вопросов мониторинга геофизических систем, содержащих большие массы льда и снега, склонных к катастрофическим срывам.
7
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения………………………………………………………. 10 Введение……………………………………………………………………………. 11
1. |
Проведение литературного поиска, анализ научно-технической |
|
литературы, составление базы данных по тематике проекта…………………... |
15 |
|
2. |
Подготовка и написание аналитического обзора……………………… |
16 |
2.1. Пространственно-временная неоднородность пластической деформации |
16 |
|
2.2. Динамика дислокационных скоплений……………………………………… 21
2.2.1. Теоретические модели……………………………………………………… |
21 |
2.2.2. Основные экспериментальные данные по динамике полос скольжения |
25 |
2.2.3. Сравнительный анализ экспериментальных методов исследования |
|
динамики дислокационных скоплений………………………………………. |
28 |
2.3. Дислокации в гексагональной фазе льда I…………………………………... |
37 |
2.4. Нелинейная динамика межфазной границы лед-вода……………………… |
40 |
2.4.1. Проблема свободной границы и морфогенез неравновесных структур… |
41 |
2.4.2.Дендритная кристаллизация. Модифицированная проблема Стефана…. 43
2.4.3.Проблема ветвления дендритных кристаллов…………………………….. 51
2.4.4.Глобальные морфологии неравновесного роста………………………….. 62
2.5. Электромагнитные явления при неравновесной кристаллизации………… 68
2.6.Эффект Воркмана-Рейнольдса………………………………………………. 60
2.7.Радиоизлучение при кристаллизации и разрушении диэлектриков………. 72 3. Выбор и обоснование принятого направления исследования и способов
решения поставленных задач (Технологическая карта проекта)……………… 75
4.Разработка и тестирование электромагнитного метода исследования неустойчивой пластической деформации и трещинообразования в диэлектрических материалах и льде …………………………………………….. 79
5.Разработка поляризационно-оптического метода регистрации дефектообразования во льде…………………………………………………….... 91
6.Разработка методики in situ исследования кинетики и морфологии
межфазной границы лед-вода ……………………………………………………. 93 7. Разработка методов фрактального анализа изображений (структур разрушения и/или неравновесных форм роста льда) и сигналов акустической или электромагнитной эмиссии …………………………………………………. 95
8
8.Идентификация распространяющихся дислокационных скоплений и трещин в деформируемом льде по электромагнитному и акустическому
сигналу…………………………………………………………………………….. 98
9.Исследование динамики и статистики дислокационных лавин и трещин в
деформируемом льде на основе электромагнитного мониторинга…………… |
108 |
10. Исследование хаоса и пространственно-временной самоорганизации |
|
дислокационных лавин и трещин во льде в зависимости от степени |
|
деформации, скорости деформирования и температуры……………………… |
122 |
11.Разработка критерия разрушения поликристаллического льда на основе анализа картин разрушения и автокорреляционных характеристик электромагнитного сигнала-предвестника разрушения………………………… 125
12.Поляризационно-оптические исследования неравновесных форм роста
льда в переохлажденной пресной и морской воде…………………………….. 132
13.Экспериментальное тестирование механизмов ветвления дендритных кристаллов льда…………………………………………………….................... 140
14.Изучение взаимосвязи электромагнитного сигнала со структурными особенностями растущего льда…………………………………………………. 163
15.Исследование механизма генерирования электромагнитного излучения
при неравновесной кристаллизации водного раствора электролита |
167 |
16.Разработка методики непрерывного оптического, акустического и электромагнитного мониторинга ледяного покрова в условиях контакта с нефтью……………………………………………………………………………… 174
17.Исследование кинетики и морфологии роста льда в нефте-водной смеси
при отрицательных температурах……………………………………………….. 178 18. Подготовка рекомендаций к разработке методов электромагнитного мониторинга неравновесной среды, содержащей лед………………………….. 183
Заключение………………………………………………………………………… 184
Список используемых источников……………………………………………… 187
9
Обозначения и сокращения
ПС – полоса скольжения ЭДУ – энергия дефекта упаковки АЭ – акустическая эмиссия
ЩГК –щелочно-галоидные кристаллы ГЦК – гранецентрированная кубическая (решетка)
ГПУ – Гранецентрированная плотноупакованная решетка Ф-Р – Франка-Рида (источники)
ЛМ-К – Лангера –Мюллера-Крюмбхара (теория) ЭДС – электродвижущая сила ЭМЭ – электромагнитная эмиссия МПа – мегапаскаль мс – миллисекунда
СОК – самоорганизующаяся критичность ДЭС – двойной электрический слой
10