Лаборатория механики неупорядоченных сред

Научные результаты:

1. 2017: Собрана экспериментальная установка для исследования течения пены в ячейке Хеле-Шоу. Составлен акт о вводе установки в эксплуатацию. Проведено множество экспериментов по обтеканию пеной препятствия с варьированием геометрических параметров препятствия. Установлено существенное влияние формы препятствия на динамику обтекания его пеной.
2. Определена зависимость скорости потока пены ниже по течению от объекта в зависимости от количества жидкости в пене.
3. Проведены предварительные эксперименты, в которых выполнялась одновременная видеозапись разрушения материала и фиксация данных акустической эмиссии при распространении трещин в синтетических материалах (в частности - плексигласе). Эксперименты позволили отработать методики проведения эксперименов, а также сопоставления разрушения материала и акустической эмиссии.
4. Получены теоретические оценки электрического поля, которое индуцируется вблизи трещины ГРП утечкой контрастной жидкости ГРП из трещины в пласт под действием начального высокого давления в трещине и упругих сил породы, заставляющих трещину смыкаться после прекращения закачки.
5. Построена математическая модель гидроразрыва в Пороупругопластической среде в предположениях, что среда неоднородная физические свойства меняются по пространству), трещина плоская, закачка производится через скважину, пересекающую перпендикулярно плоскость трещины. Основной особенностью модели является учет порового давления и полное сопряжение напряженно-деформированногосостояния пласта и фильтрации жидкости.
6. На установке, создающей статическое и пульсирующее давление масла, проведено экспериментальное исследование гидроразрыва толстостенных цилиндров с отверстием. Цилиндры были изготовлены из цементного материала GF-177, а также из смеси глиноземистого цемента с песком. Отработана методика изготовления образцов и работа с экспериментальным стендом.
7. Получены и обработаны результаты интраоперационного мониторинга гемодинамических параметров (скорости и давления) в сосудах головного мозга, выполненного в 2017 году в ходе 13 нейрохирургических операций с помощью приборно-измерительного комплекса Volcano ComboMap/ComboWire.      
8. 2018: Выполнена серия экспериментов по обтеканию пеной препятствия в ячейке Хеле-Шоу. За счет наличия препятствия в потоке пены происходит деформация пузырьков. При обтекании препятствия пеной поверхностная энергия сначала накапливается за счет увеличения поверхности пузырьков, затем высвобождается, вследствие чего наблюдается так называемый «отрицательный» след, в котором происходит ускорение пузырьков до скоростей, превышающих скорость набегающего потока. Показано, что с увеличением высоты препятствия максимальная величина дефекта продольной скорости в отрицательном следе за телом сначала растет линейно, затем достигает максимума при некотором значении высоты препятствия, после чего уменьшается до значения, соответствующего случаю полного перекрытия зазора ячейки препятствием. Существование максимума эффекта при некоторой высоте препятствия можно объяснить балансом между ростом поверхностной энергии и ростом вязких потерь при увеличении высоты препятствия. Исследован характер изменения поля скорости пены в зависимости от доли жидкой фракции в ней, продемонстрирован плавный переход от течения пены, имеющей ярко выраженные неньютоновские свойства, к течению пузырьковой жидкости, близкой по свойствам к ньютоновской. Полученные результаты позволяют количественно оценить диапазон применимости классической модели Дуриана для расчета течений «сухой» и «мокрой» пены.
9. Совместно с организацией-подрядчиком был разработан эмболизирующий состав.  Эмболизат был использован при изучении модельной постановки задачи об эмболизации микроканала, соответствующего рацимозной части артерио-венозной мальформации. В результате визуализации было выявлено два режима процесса полимеризации, приводящих к существенно разным картинам эмболизации микроканала. В первом режиме реакция полимеризации проходит в тонком слое на границе между эмболизатом и водой, при этом осаждение полимеризованного эмболизата происходит вверх по потоку в виде нитевидной структуры. Второй режим характеризуется более высокой степенью перемешивания на границе между эмболизатом и водой, что приводит к полной эмболизации микроканала. С целью исследования возможностей предложенной математической модели рассмотрено плоское течение в канале под действием градиента давления для жидкости с прутообразными частицами. В начальный момент частицы ориентированы поперек потока. Установлено, что для малых чисел Рейнольдса, соответствующих скорости вращения частиц, модель сводится к стационарной системе уравнений для скорости потока и микро- вращений; при этом время является параметром. Эти уравнения позволяют определить ориентацию частиц и их микро-инерцию в зависимости от поперечной пространственной координаты и времени.
10. Выведена модель расчета общего притока жидкости к горизонтальной скважине с МГРП с учетом взаимного влияния трещин гидроразрыва, неоднородности свойств пласта, учета конечной проницаемости трещин и гидравлического сопротивления скважины. Разработана численная модель развития трещины гидроразрыва пласта в пороупругой среде при закачки жидкости со степенной реологией. Получено подтверждение факта, что при меньшем значении индекса течения жидкости, трещина становится более узкой и длинной.
11. Определены предельные напряжения в бетоне, как при однородных, так и при неоднородных напряженных состояниях. Разрушение в неоднородном поле напряжений осуществлялось при чистом сдвиге на поверхности отверстия в условиях гидроразрыва. С помощью нелокальных критериев предельного состояния проведено моделирование разрушения в неоднородном поле напряжений. Выполнено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Показано, что удовлетворительное описание экспериментальных данных по разрушению в неоднородном поле напряжений достигается только с помощью нелокальных критериев предельного состояния.
12. В ходе сравнительного анализа клинических данных и данных численного 3D-моделирования оказалось, что для задачи определения потенциального места разрыва аневризмы существенную роль играет пациент-специфичный профиль кровотока, задаваемый как краевое условие; в то время, как данные о прочности церебральной аневризмы могут быть взяты из литературы. Для этой же задачи было продемонстрировано преимущество гидроупругого расчета перед жестким в целях использования таких расчетов для предоперационного моделирования.
13. 2019: построена модель, позволяющая предсказать изменение скорости пены на произвольном препятствии, ограниченной двумя пластинами и представляющей собой монослой пузырьков. Изначально модель основана на потенциальном обтекании цилиндра ньютоновской жидкостью в ячейке Хеле-Шоу: рассматривается цилиндрическое препятствие, частично заполняющее зазор между пластинами ячейки. Далее было введено понятие ограничивающего давления, оказываемого на пузырек пены при его прохождении над препятствием. Полученный результат используется для задания условий на границе препятствия при переходе к более обобщенной модели, описывающей движение монослоя пузырьков в ячейке.
14. Получены результаты экспериментального моделирования гидроразрыва при неоднородном (ступенчатом) распределении горизонтальных сжимающих напряжений в горных породах. Эксперименты проведены при различных значениях скорости нагнетания жидкости гидроразрыва и среднего сжимающего напряжения между блоками ПММА.
15. Получены зависимости давления гидроразрыва и размеров границ распространения жидкости и флюид лага от объема закаченной жидкости. Показано, что в экспериментах с профилированным блоком флюид лаг имел существенно большие размеры по сравнению с опытами на плоских полированных блоках. Максимальное давление жидкости гидроразрыва равно сумме давления прижатия в средней зоне блоков и характерного нетто-давления, зависящего только от скорости нагнетания жидкости гидроразрыва и её вязкости. Величина характерного нетто-давления линейно возрастает с увеличением скорости нагнетания жидкости.
16. Проведены эксперименты на распространение трещины в синтетических материалах. Рассмотрены быстрый и медленный режимы распространения трещины, а также переходный режим. Предложена упрощенная качественная модель, основанная на статистической физике и тепловом рассеивании. Модель предсказывает повышение температуры до нескольких тысяч градусов.
17. Для течения в канале построены корреляции между градиентом давления и расходами фаз таких как несущая жидкость и гранулированная фаза (частицы). Найден критерий неподвижности гранулированной фазы.
18. Установлено, что в зависимости от предельного напряжения сдвига такая фаза не течет, если малым является либо градиент давления, либо толщина канала. Проведен численный анализ жидких расходов при различных входных параметрах.
19. Представлена и использована экспериментальная установка для исследования морфологии и динамики трещин, медленно приводимых в движение в неупорядоченных средах. Используется прозрачный образец, изготовленный из 2 листов ПММА, в котором наблюдается распространение фронта трещины по видеозаписи во время экспериментов. Используются различные условия нагружения, позволяющие иметь широкий диапазон средних скоростей фронта трещины. Благодаря высокому разрешению съёмки процесса и большому объёму данных можно детально рассматривать прерывистое потрескивание в образце. Изменение скорости локального фронта показывает динамику лавины, где каждая локальная лавина характеризуется своим размером S, своей нормированной длительностью D и максимальными скоростями Vmax. Показано, что каждая функция плотности вероятности этих величин является степенным законом с экспоненциальным отсечением. Экспериментальная оценка этих степенных показателей подтвердила, что критическое депиннирование длинной упругой струны, распространяющейся в двумерной неупорядоченной среде, количественно описывает масштабное поведение экспериментальных наблюдений.
20. Показано, что при моделировании трещины ГРП с помощью модели чисто упругой среды, есть риск не уловить прорыв в нежелательные слои, если Проницаемость продуктивного слоя достаточно высокая. Управлять реализацией того или иного сценария поведения трещины можно с помощью параметров закачки: расхода и вязкости жидкости гидроразрыва. При большем расходе вероятность прорыва в низкопроницаемый соседний слой повышается. При снижении вязкости жидкости ГРП возможность прорыва снижается.
21. Разработана программа «PREVELCOM» предназначенная для синхронного просмотра и визуального анализа данных записывающей аппаратуры, представленных в виде текстового файла, и данных визуализирующей аппаратуры, записанных в стандартном медицинском формате DICOM. Подана заявка на регистрацию программы для ЭВМ. С помощью разработанной программы осуществлялась обработка данных интраоперационного мониторинга, строилась модель оптимальной эмболизации.
22. Была исследована механика тканей церебральных аневризм. В ходе исследования применимости гиперупругих моделей к моделированию таких тканей была построена их иерархия в зависимости от величины деформации и статуса аневризмы.
23. 2020: Проведено экспериментальное исследование распространения области гидроразрыва между прижатыми друг к другу плоскими блоками из ПММА и бетона на основе глиноземистого цемента марки ГЦ-50, а также между блоком из бетона и пластиной из силикатного стекла толщиной 12 мм.
24. Проведены эксперименты на установке для моделирования гидроразрыва пласта (ГРП) по описанию развития неустойчивости на границе раздела при попеременной закачке жидкостей с контрастом реологических свойств в трещине с упругими стенками. Воспроизведена картина неустойчивости Саффмана-Тейлора, перемешивания жидкостей, гетерогенного размещения проппанта внутри трещины. Проведенные эксперименты необходимы для валидации математических моделей и проверки технологических приемов, направленных на повышение эффективности и снижение стоимости операции ГРП.
25. Рассматривалась задача о конвективной седиментации частиц в сосуде с вертикальными стенками при различных углах наклона сосуда. Известно, что в наклонном сосуде седиментация протекает быстрее (A.E.Boycott, Nature 1920). Предложена математическая модель, которая согласуется с таким эффектом. Оказалось, что главную роль играет не вращательная диффузия, а гравитационная мобильность в диффузионном законе Фика для вектора потока концентрации частиц.
26. Рассматривалась задача о течении суспензий в канале при заданном градиенте давления для случая, когда частицы имеют форму стержней (rod-like particles). Разработана математическая модель с учетом внутренних моментов импульса в рамках континуума Коссера, когда каждая частица материального континуума трактуется как твердое тело,  кроме линейной скорости, она обладает угловой скоростью и тензором микро-инерции. Установлено явление гистерезиса на плоскости градиент давления-расход, что соответствует реальным течениям в нефтепроводах в условиях добавления оптимизирующих присадок.
27. Разработано программное обеспечение на основе машинного обучения для пакетной обработки экспериментальных данных течения жидкой пены в ячейке Хеле-Шоу, состоящей из двух стеклянных пластин, разделенных миллиметровым зазором, при наличии локального проницаемого препятствия.
28. Проведена масштабная обработка экспериментальных данных, позволяющая реконструировать каждый элемент жидкой пены. На основе полученных данных проведен статистический анализ топологических перестроек (событий Т1) ячеек пены, а также построены поля деформации пены в ячейке Хеле-Шоу с локальным препятствием. Показана зависимость поля деформации от высоты препятствия и от доли жидкой фракции пены.
29. В ходе механических испытаний бактериальной целлюлозы выявлено статистически значимое влияние такого фактора как использование компонента хитозоль-ванкомицин в процесс выращивания бактериальной наноцелюллозы на прочностные свойства материала (предельное напряжение). Направлена заявка на полезную модель удерживающего устройства для испытаний.
30. Выполнен статистический анализ скачков на графиках стресс-трейн диаграмм одноосных испытаний на разрыв тканей церебральных аневризм. Выделены статистически значимые различия для когорт разорвавшихся и не разорвавшихся аневризм в характере таких скачков (аваланшей).
31. 2021: Построена установка для изучения распространения трещины с помощью оптических методов, а также датчиков нагрузки и акустической эмиссии. Разработан алгоритм для обработки визуальных данных, получено распределение фронта лавины и сопоставлено с акустическими данными. Созданы две автоматизированные экспериментальные установки для изучения эффекта бриджинга в двумерном и трехмерном случаях.
32. Выполнен статистический и оптический анализ полученных экспериментальных данных в воздухе или в воде с варьированием размера отверстия и размера используемых гранул.
33. Получены результаты экспериментального исследования взаимодействия двух трещин, распространяющихся навстречу друг другу, в листовом материале. В качестве исследуемого материала использовалась матовая калька, толщиной 80 мкм. Эксперименты проводились на испытательной машине Zwick&Roell Z100 в установленной внутри климатической камере.
34. Построена комбинированная модель эмболизации, в которой наряду с течением крови и эмболизата в АВМ учитывается переток крови в окружающие здоровые сосуды. Кроме того, с использованием одномерной модели двухфазной фильтрации, основанной на реальных клинических данных, выполнено моделирование совместного течения крови и эмболизирующей композиции внутри артериовенозной мальформации. Проведено экспериментальное исследование реологических свойств эмболизирующих составов и выполнено численное 3D моделирование на основе экспериментальных данных.
35. Разработан пользовательский интерфейс программы для ЭВМ, позволяющий быстро вводить параметры пациента при той или иной конфигурации Вилизиевого круга и выполнять расчет оптимальных параметров анастомоза.
36. 2022: Проведено исследование неопределенности граничных условий при численном моделировании гемодинамики церебральной аневризмы.
37. Выполнено экспериментальное исследование реологии эмболизатов при широком диапазоне модулей сдвига и температур.

Внедрение результатов исследования:

Количество объектов интеллектуальной собственности (за все время существования лаборатории):

• Программы для ЭВМ:
• Программа для синхронного просмотра и визуального анализа данных записывающей аппаратуры «PREVELCOM».
• Модуль расчета дебита горизонтальной скважины с МГРП на основе численного моделирования в пакете FreeFEM++.
• Вычислительный пакет FEMEngine на основе метода конечных элементов с линейными конечными элементами на треугольной сетке.
• Патенты:
• Устройство удерживающее для одноосного испытания тонких биологических тканей (мембран).

Организационные и инфраструктурные преобразования:

За период работы лаборатории создан целый комплекс уникального оборудования для нефтегазового инжиниринга и других промышленных областей:

• Установка прокачки проппанта с возможностью визуализации течения в модели трещины.
• Установка исследования бриджинга как в воздушной среде, так и в жидкости.
• Установка моделирования роста трещины в пласте ГРП.
• Установка течения пены в ячейке Хеле-Шоу.

Приобретен ряд измерительного оборудования, позволившего выйти на новый уровень исследований в области изучения свойств материалов, в том числе в области биоинжиниринга:

• Универсальная машина Instron 5944 c термостатической биованной.
• Реометр ANTON PAAR (Австрия).

Указанное оборудование используется как для получения научных результатов, так и для решения высокотехнологичных задач коммерческих партнеров.

Образование и переподготовка кадров:

Участие членов научного коллектива в школах и повышения квалификации:

• Flowing Matter (CISM School), 2017.
• Material Parameter Identification and Inverse Problems in Soft Tissue Biomechanics (CISM School), 2017.
• Mechanics of Fibrous Materials and Application: Physical and Modelling Aspects (CISM School, Italy), 2018.
• Biomechanics, from Protein to Tissue to Organ: Modeling and Computation (Austria), 2018.
• MR image processing - from image data to information (Germany), 2018.
• CISM-AIMETA Advanced School on «Anisotropic Particles in Viscous and Turbulent Flows» (CISM School, Italy), 2019.
• THE ART OF MODELING IN COMPUTATIONAL SOLID MECHANICS (CISM School, Italy), 2019.
• Современные программные комплексы для решения задач механики сплошных сред (Новосибирск, Россия).

Сотрудники лаборатории проводили совместные международные семинары и мастерские:

• Russian-Japan Joint Seminar «Nonequilibrium processing of materials: experiments and modeling, Новосибирск, НГУ-ИГиЛ СО РАН, 2018.
• RUSSIA-JAPAN WORKSHOP «MATHEMATICAL ANALYSIS OF  RACTURE PHENOMENA FOR ELASTIC STRUCTURES AND ITS APPLICATIONS, Новосибирск, НГУ-ИГиЛ СО РАН, 2019.

Сотрудничество:

• В результате реализации мегагранта создано новое крупное научное направление по изучению динамики сложных жидкостей и их течению в упругих средах при наличии возможности разрушения и деформации упругих сред, изменения реологических свойств жидкостей в процессе течения, а также формирования силовых цепей и эффектов кластеризации и закупоривания в переносимых жидкостями гранулированных и волокнистых материалах. Разработанные при реализации мегагранта методики позволяют осуществлять дизайн жидких материалов, имеющих заданные свойства, и оптимизировать параметры их течения в технических и биомедицинских приложениях. Работа по реализации мега-гранта в ИГиЛ СО РАН проводилась параллельно с работой по созданию уникального отечественного симулятора гидроразрыва пласта «Кибер ГРП» по заказу Научно-Технический Центр «Газпром нефти» совместно с консорциумом ведущих российских вузов (МФТИ, Сколтех, СПбПУ, ИГиЛ СО РАН).
• Опубликованы и продолжают выполняться исследования в тесном взаимодействии со специалистами ФГБУ НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина, Федерального нейрохирургического центра (Новосибирск), ННИТО им. Я.Л. Цивьяна (Новосибирск). Проводились совместные исследования с Vien TU (Австрия), и проводилась тесная научная коммуникация с университетом Tohoku (Япония).