Тема: Анализ закономерностей неизотермических течений в сложных трубопроводах в режимах ламинарно-турбулентных переходов, происходящих вследствие пространственной деформации углеводородных сред

Выпускная квалификационная работа 118 с., 19 рис., 16 табл., 49 источников.
Ключевые слова: моделирование, конфузор, ускорение, модель, турбулентность, гидродинамика, теплообмен, газ.
Объектом исследования в настоящей работе являются процесс движения газа в каналах и модели турбулентности.
Предмет исследования - закономерности ускоренного течения газа через трубопроводы сложной формы и возможности моделей турбулентности по предсказанию параметров этого процесса.
Цель работы - анализ закономерностей ускоренного движения газа через трубопроводы сложной формы и разработка рекомендаций по выбору модели турбулентности для исследования рассматриваемого процесса.
В процессе исследования проводились: анализ литературных источников с целью выявления закономерностей ускоренного течения газа через трубопроводы сложной формы; математическое моделирование процессов ускоренного движения газа в канале с конфузорной секцией с использованием трех различных моделей турбулентности семейства k - е (realizable, RNG и standatd) с целью выяснения их возможностей по предсказанию гидродинамики и теплообмена исследуемых течений и выяснения закономерностей гидродинамики и теплообмена потоков при движении в каналах сложной формы. Рассчитана стоимость проведения численного и физического экспериментов с учетом стоимости сборки испытательного стенда, приобретения измерительной аппаратуры и программного обеспечения. Приведены опасные и вредные производственные факторы, которые могут возникнуть при проведении экспериментов, перечислены мероприятия по охране труда и промышленной безопасности.
В результате исследования были составлены рекомендации по выбору модели турбулентности, выявлены закономерности движения газовой среды в трубопроводах с участками сложной формы.
Степень внедрения: настоящие рекомендации на сегодняшний день не использовались для проведения численного моделирования процессов ускоренного движения в каналах.
Область применения: математическое моделирование гидродинамических и тепловых особенностей процесса движения газа в канале.
Экономическая эффективность/значимость работы заключается в возможности экономии в финансовом эквиваленте за счет проведения экспериментов численных взамен экспериментов реальных.
В будущем планируется более подробное изучение влияния всевозможных геометрических особенностей на параметры потоков с использованием других моделей турбулентности, и, возможно, разработка собственной модели, основываясь на полученных закономерностях.
Эффективное управление обменными процессами в движущихся потоках и взаимодействием этих потоков с обтекаемой поверхностью (массоотдачей, теплоотдачей, сопротивлением трения) в элементах энергетических и транспортных систем занимает особое место среди проблем ресурсо- и энергосбережения, а также охраны окружающей среды.
Так, затраты энергии на перекачку флюида могут быть значительно снижены при уменьшении сопротивления трения в трубопроводах и транспортных системах. Габариты теплообменных аппаратов могут быть значительно уменьшены при интенсификации в них теплоотдачи, что в свою очередь позволит ощутимо снизить металлоемкость оборудования и, соответственно, количество природных ресурсов, затрачиваемое на их изготовление и снизить загрязнение окружающей среды [1].
Существует достаточное количество методов и устройств, которые позволяют как повысить показатели теплоотдачи и сопротивления, так и снизить их. Считается [1], что одними из самых эффективных из них являются основанные на воздействии на пристеночную турбулентность. К ним относятся, например [2,3]: воздействие на поток ультразвуковыми колебаниями; применение каналов, в которых чередуются конфузорные и диффузорные участки; использование поперечных гофр или элементов дискретной шероховатости (для изменения продольного градиента давления по длине обтекаемой поверхности, изменения кривизны поверхности) на поверхностях теплообмена и др. Известно [1], что ключевым фактором, влияющим на интенсивность процессов тепло- и массоотдачи, а также сопротивление трения, является турбулентный перенос в пограничном слое. В то же время известно, что кинетическая энергия движения турбулентного мала в сравнении с кинетической энергией осредненного движения. Поэтому энергетические затраты на воздействие на пристеночную турбулентность
обычно оказываются меньшими, чем затраты на воздействие на течение в целом. Это и обуславливает высокую эффективность методов управления обменными процессами, основанными на воздействии на пристеночную турбулентность.
На сегодняшний день на практике во время проектирования трубопроводных сетей и учета особенностей динамики процессов, протекающих при течении флюидов в каналах сложной формы, применяются полуэмпирические технологии, которые часто не позволяют проникнуть в суть механизмов переноса массы, импульса и тепла и сделать вывод о реальных нагрузках и энергонапряженности рабочих элементов.
Методам численного моделирования сложных течений вязких сред, которые активно разрабатываются в последнее время, присуще отсутствие многих недостатков, свойственных для подходов и способов получения эмпирических данных об исследуемых явлениях и процессах. Это позволяет эффективнее и с меньшими затратами находить оптимальные конструктивные решения при проектировании секций и узлов сложной формы для трубопроводных систем.
В таких условиях актуальной представляется задача разработки адекватных математических моделей пространственных турбулентных течений в трубопроводах, осложненных процессами пространственной и тепловой деформации рабочей среды вследствие прохождения особых зон трубопроводов специфической формы поверхности стенки и выявление границ применимости более простых моделей в оценке явлений в трубопроводах и обобщении используемых полуэмпирических методик.
Комплексное физико-математическое и численное моделирование процессов в трубопроводах, проводимое на основе полных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, проведение которого предполагается в настоящей работе, является весьма перспективным и гибким способом прогнозирования основных параметров функционирования трубопроводов. Кроме того, подбор или создание соответствующих моделей прогнозирования процессов, сопровождающих течение во внутренних системах, особенно актуально для решения прикладных задач в топливно-энергетическом комплексе России.

Купить

Таким образом, результаты представленных исследований, проиллюстрированные на рисунках 3.1 - 3.6, позволяют сделать вывод о том, что при моделировании параметров потока в условиях обычной цилиндрической трубы, все три исследуемые модели турбулентности (standard k - е (B. Launder) [24], RNG k - e (V. Yachot) [25], realizable k - e (T. Shih) [26]) показывают схожие, достаточно приемлемые результаты. Однако случаи ускоренного движения, которое является следствием пространственной деформации в сужающейся конфузорной секции, выявляют различия между моделями.
Выяснено, что скорость потока и ее пульсационные составляющие, масштаб турбулентности, кинетическая энергия турбулентности вычисляются c разной точностью. Можно заметить, что standard и RNG модели имеют схожие результаты, отличные от результатов realizable модели. Но наиболее близкие к экспериментальным значениям параметров все же показывает realizable к - е-модель турбулентности, хотя в литературе можно найти данные, когда все эти три модели проявляют себя не с лучшей стороны [27].
Как представляется возможным, подобные результаты были получены по причине разного способа расчета коэффициента C^ присутствующего в уравнениях моделирования турбулентной вязкости (1.13), а так же в связи пульсационных характеристик с кинетической энергией турбулентности и ее диссипации (1.13). Так, для standard и RNG моделей, он представляет собой константу, для realizable - для его расчета вводится дополнительная функция (3.12). Поэтому, исходя из полученных результатов, а также данных [1] можно сделать предположение, что в конфузоре, в отличии от обычной цилиндрической трубы, для которой эмпирически доказана гипотеза о том, что вклад пульсационных характеристик в кинетическую энергию турбулентности (1.8) остается пропорционально постоянным или меняется незначительно, имеет место перераспределение вкладов этих пульсационных составляющих скорости.
Моделирование температурных характеристик потока в рассматриваемых случаях так же показывает преимущество realizable модели над RNG и standard. Что, возможно, связано с лучшими результатами в моделировании динамических параметров потока.
При рассмотрении связи характеристик потока от геометрии конфузорной секции (исходя из анализа ранее проведенных исследований [1, 21] и численного моделирования, проведенного в данной работе), получена зависимость длины ламинаризируемой области течения от угла наклона конфузорной секции. Замечено, что размер области увеличивается при увеличении угла наклона.
Поведение кинетической энергии турбулентности по поперечному сечению дает возможность учесть изменение механизмов переноса в балансе кинетических энергий турбулентных вихрей. В частности, при входе в конфузорную секцию профиль удовлетворяет условиям развитого течения. Далее, проходя через конфузор, возникают особенности, вызванные ускорением потока вследствие увеличения поля давления и оттеснением границы толщины вязкого подслоя вглубь ядра. Это ведет к снижению пика кинетической энергии (смотри линии 100мм, 200 мм на рисунке 3.2). Причем, попадая в секцию постоянного сечения, наблюдается возрастание турбулентных пульсаций в потоке, что восстанавливает структуру турбулентных вихрей (смотри линии 400мм, 800мм на рисунке 3.2). Такой сложный механизм из-за подавления и восстановления пульсационной структуры потока выбранными моделями в рамках изотропного значения турбулентной вязкости вполне удовлетворительно предсказывается лишь моделью realizable в сравнении с данными [21] в силу более тонкого моделирования пристеночных процессов с низкими значениями турбулентности. Однако расчетами выявлено, что при более значительных углах наклона образующей поверхности конфузора к оси течения (в>8/200) двухпараметрические модели вносят заметную погрешность в расчет структуры течения и его интегральных параметров (критерий Нуссельта, гидравлическое сопротивление) вследствие доминирования механизмов анизотропии, что позволяет утверждать, что при прогнозе вихревой неустойчивости в каналах сложной геометрии с учетом (без) теплообмена требуется коррекция указанной модели на прогноз анизотропных свойств турбулентного течения.
Заметим, что в выбранном диапазоне определяющих параметров весьма существенна задача о турбулентном теплообмене, которая требует повышенного внимания в моделировании составляющих вектора плотности турбулентного (иt'Т') теплового потока. Расчетами установлено, что при значениях в от 4/200 и выше наблюдается интенсификация процесса гашения турбулентного переноса в радиальном направлении. Следовательно, аналитические зависимости к определению коэффициента турбулентной теплопроводности с функциональными связями для числа Прандтля (замыкания Буссинеска) не вполне корректны. Однако можно утверждать, что все двухпараметрические динамические модели успешны в прогнозе эффектов ламинаризации на небольших углах сужения (в<8/200) с различными значениями формулировок зависимости к определению турбулентного числа Прандтля. Расчеты утверждают, что турбулентный теплообмен, предсказанный в рамках двухпараметрических динамических и двухпараметрических тепловых моделей, будет более эффективен, что позволит использовать в расчетах полуэмпирические модели, широко опробированные к прогнозу задач нефтегазовой гидродинамики, и отказаться от громоздких формулировок в определении анизотропных турбулентных течений в рамках RANS-метода с полными транспортными уравнениями для турбулентных потоков и напряжений Рейнольдса [28]. Последнее существенно сэкономит затраты на проведение вычислительных расчетов потоков с учетом изменений компонентного состава углеводородных сред, что характерно для трубопроводного транспорта и позволит вскрыть механизмы в изменениях поля скорости, температуры на таких участках трубопровода, где возникают выраженные процессы перехода кинетической энергии в тепловую, увеличивается роли диссипативных эффектов, характерная для тупиковых ответвлений.
На рисунке 3.3 представлена оригинальная информация о поведении интегрального масштаба энергосодержащих вихрей, который является физическим параметром в отличии от скорости диссипации и позволяющим анализировать картину течения о размерах турбулентных вихрей в переходных процессах и более успешно моделировать на его основе низкорейнольдовые процессы (вырождение турбулентности) характерные для ламинаризации.
Проведенный анализ изменения механизмов диффузии, конвекции, диссипации турбулентных вихрей в развивающихся переходных течениях в трубопроводах в рамках динамических двухпараметрических моделей группы k-s и данные расчетов могут расширить банк данных к тестированию новых турбулентных моделей полуэмпирической теории турбулентности и могут дать сведения к оптимизации работы аппаратов, управляющих вихревой неустойчивостью в трубопроводном транспорте.
Была рассчитана стоимость проведения численного и физического экспериментов с учетом стоимости сборки испытательного стенда, приобретения измерительной аппаратуры и программного обеспечения и выяснено, что стоимость проведения численных экспериментов оказалась дешевле. Приведены опасные и вредные производственные факторы, которые могут возникнуть при проведении экспериментов, перечислены мероприятия по охране труда и промышленной безопасности.
На основании этих данных уже рекомендовать к использованию для моделирования ускоряющихся вследствие пространственное деформации
течений realizable k - s модель турбулентности. В дальнейшем планируется более подробное изучение влияния всевозможных геометрических особенностей на параметры потоков с использованием других моделей турбулентности, и, возможно, разработки собственной модели, основываясь на полученных закономерностях с целью разработки рекомендаций по конструированию геометрии проточной части каналов.
Купить