автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Методика моделирования квазиизотермического процесса в вихревых устройствах дросселирования давления газов

СВИСТУНОВ Антон Вячеславович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ВИХРЕВЫХ УСТРОЙСТВАХ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ

Специальность 05.04.13 -«Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

1 2 (.1др 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2012

005014822

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Целшцев Владимир Александрович заведующий кафедрой прикладной гидромеханики.

доктор физико-математических наук, профессор Газизов Рафаил Кавыевич, заведующий кафедрой

высокопроизводительных вычислительных технологий и систем.

кандидат технических наук, Шаякберов Валерий Фаязович, главный научный сотрудник ОАО «РН-УфаНИПИнефть»

Ведущая организация:

ООО «Газпром Трансгаз Уфа», г. Уфа

Защита состоится « 16»марта2012г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.088.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г.Уфа, ул. Карла Маркса 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».

Автореферат разослан « 16 » ере&раАА 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. ^Х^У^с^' ф- Г- Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы

Повышение энергетической эффективности трубопроводных систем распределения и транспортировки газа является приоритетным направлением развития энергетики и энергетической эффективности промышленности Российской Федерации и входит в перечень критических технологий, определяющих процесс создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления энергетических ресурсов.

Разработанная учеными «Уфимского государственного авиационного технического университета» и ОАО «Научно-исследовательского института технологии» технология квазиизотсрмического дросселирования давления газа позволяет уменьшить снижение температуры газа, выпадение кристаллогидратов и образование конденсатных пробок. Благодаря чему исключается энергетически затратное и неэффективное подогревающее оборудование. Решение данной проблемы, проведенное на экспериментально-идентификационном уровне, и требует обеспечить разработку устройств квазиизотермического дросселирования для всей номенклатуры оборудования по расходно-эксплуатационным характеристикам.

Для проведения работ по проектированию устройств на уровне современных технологий вычислительной техники необходимо создание методов расчета и проектирования квазиизотермических дросселирующих устройств на основе эффекта Ранка, что обуславливает актуальность поставленной задачи для моделирования й проектирования квазиизотермических устройств дросселирования газа. Таким образом, актуальность данной работы заключается в необходимости создания методики моделирования, включающей в себя методы численного моделирования и методы экспериментальных исследований, для проектирования и разработки устройств, реализующих квазиизотермический процесс дросселирования давления газа

Цель диссертационной работы

Разработка методики моделирования квазиизотермического процесса дросселирования для проектирования газовой аппаратуры.

Основные задачи, которые решаются для достижения поставленной

цели:

1) разработка алгоритма формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) разработка системы математических уравнений для описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и смешанных граничных условий первого и второго рода;

3) проведение экспериментальных исследований и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа;

4) разработка методики моделирования квазйизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования нестационарных течений жидкости и газа и процесса вихревого дросселирования газа, проводились стендовые испытания.

Теоретические исследования базируются на корректном использовании основных научных положений механики жидкости и газа и термодинамики, на использовании полученных экспериментальных данных. При проведении испытаний и обработке данных применяются методы теории планирования эксперимента и статистической обработки данных.

Научная новизна

Новыми научными результатами, полученными в работе, являются:

1) алгоритм формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) система уравнений описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа со смешанными граничными условиями и учетом тепломассообмена стратифицированных потоков;

3) разработана и экспериментально проверена методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет сократить временные затраты и повысить эффективность расчетных работ при проектировании дросселирующих устройств и сократить затраты на проведение расчетных, проектных работ и экспериментальных исследований.

Результаты исследований внедрены в:

1) ООО «Уфимский завод нефтегазового оборудования» при проектировании устройств дросселирования, транспортировки и хранения нефтяных и газовых продуктов, в частности, при проектировании узлов учета попутного газа в местах нефтедобычи;

2) ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в виде конспекта лекций в рамках учебно-образовательного курса «Механика жидкости и газа»;

На защиту выносятся:

1. Обоснование возможности реализации квазиизотермического процесса дросселирования давления газа, за счет положительной обратной

связи по тепловому контуру и внутреннего смешения стратифицированных потоков;

2. Математическая модель процесса квазиизотермического дросселирования давления газа и результаты численных исследований;

3. Результаты экспериментальных исследований и верификация математической модели;

4. Методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа на основе экспериментальных и численных исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях:

- Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2007,2008,2010,2011 г.г.;

- Международной научно-технической конференции «Студенты и аспиранты аэрокосмическому комплексу России», г. Геленджик, 2008 г.;

- XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г. Москва, 2008 г.;

- Международной научно-технической конференции «Решетневские чтения», г. Красноярск, 2009 г.;

- III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г.Москва, 2010 г.;

- IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.;

- V Всероссийской школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике», г. Уфа, 2010 г.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 18 опубликованных работах, в том числе в 2-х статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, и патенте Российской Федерации № 2431883.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы; изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 иллюстрации, 3 таблицы; библиографический список включает 73 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту Ахметову Ю. М. за плодотворные консультации, обсуждения материалов диссертации, ценные замечания и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации проведен анализ проблемы снижения температуры газа при дросселировании. Рассмотрены современные устройства снижения давления, находящиеся как в эксплуатации, так и на стадии разработки, применение которых позволяет решить существующую проблему.

Принцип дросселирования давления газа в вихревой трубе, исследуемый с 1937 года, обладает рядом преимуществ и особенностей. Рассмотрены и проанализированы научные труды, публикации, результаты исследований, посвященные проблемам изучения и практического применения устройств, реализующих вихревой эффект таких ученых, как Мартыновский В. С., Алексеев В. П., Меркулов А. П., Леонтьев А. И., Пиралишви-ли Ш. А., Райский Ю. Д., Тункель JI. Е., Бродянский В. М., Суслов А. Д., Амиров Р. Я., Мухутдинов P. X., Жидков М. А., Русак А. М., Ахме-тов Ю. М., Целищев В.А., Гурин С. В., Соловьев А. А., Пархимович А. Ю., из зарубежных современных исследователей вихревого эффекта можно выделить Шепера (Scheper G. V.), Ван Димтера (Van Deemter J. J.), Така-хама (Takahama H.) и др.

В рассмотренных работах исследовались конструкции вихревой трубы (один вход и два выхода, рисунок 1) с энергетическим разделением потоков газа после дросселирования на «холодный» и «горячий». Альтернативной конструкцией является вихревая труба со смешением разделенных потоков (рисунок 2). Представление в р-Т координатах процесса дросселирования и перераспределения температуры потоков газа после вихревой трубы изображено на рисунке 3.

Рем, Тс*

Prop, Trop Рхол f Тх<

Рвх.Твх

Prop. Trop

Рхол, Тхол

Рисунок 1. Вихревая труба

Рвх.Твх

Рисунок 2. Вихревая труба с внешним смешением

В результате дросселирования давления газа в сужающемся устройстве поток газа с исходными параметрами давления и температуры перейдет в состояние с параметрами Р„,Т„ ■ Дросселирование исходного потока в вихревой трубе позволяет получить на выходе поток газа с параметрами «горячего» потока Р^.Т^ и массовым расходом Огор и «холодного» потока с массовым расходом С>0„ значительно отличающихся от параметров после сужающегося устройства (снижение и превышение температуры соответственно). При смешении выходных из трубы потоков

логично получение потока газа с параметрами Рш,тя , однако как было показано в работах Ахметова Ю.М. и Турина С.В, существует область, в которой возможна реализация квазиизотермического процесса дросселирования.

Принято, что интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе (вихревой эффект) обычно оценивают по зависимости избыточных величин температур газа ДТгт=1"к-7'

р'.ХШа

и = от доли

охлажденного пото-

II —

ка и-х ~ „ отно-Чк

сительно массового расхода на входе Доля подогретого потока при этом составит

Иг

= ТгЕ- = (1-Их).

Рисунок 3. Принципиальное представление в р-Т координатах кривой Джоуля-Томсона и распределения температур потоков газа после вихревой трубы

В вихревой трубе со смешением стратифицированных потоков массовый расход газа на выходе

определится как сумма массовых

расходов нагретого и охлажденного потоков.

Характеристикой квазиизотермического процесса является температура смешанного потока, а также перепад температуры по всей системе смешения потоков после стратификации в вихревой трубе при ср=сотП

•С.+О-МСр, (о

В результате анализа процессов, происходящих при дросселировании давления газа в вихревой трубе, подтверждена возможность получения квазиизотермического процесса, для осуществления которого необходимо создание условий стратификации и последующего смешения газа непосредственно в проточной части устройства в определенных массовых пропорциях по формуле 1.

Во второй главе разработаны структурная схема и математическая модель процесса квазиизотермического дросселирования давления газа.

Анализ механизма квазиизотермического процесса позволяет разработать структурную схему устройства и выявить в процессе дросселирования несоответствие дифференциального дроссель-эффекта (эффекта Джоуля - Томсона) по двум направлениям (в области потока с

низкой температурой и в области потока с высокой температурой) можно использовать в качестве источника предварительного подогрева для повышения входной температуры, реализуя положительную обратную связь, а следовательно, для повышения температуры на выходе из дросселирующего устройства.

шал

цспушшСю

кпща

а Р-! Г1 а

_

Р1

Рисунок 4. Структурная схема устройства квазиизотермического дросселирования давления газа на основе вихревой трубы: Fз-площадь соплового ввода, Са, - массовый расход газа, Т*а, - температура заторможенного потока, Р*а, - давление заторможенного потока, £2а, - тепловой поток, где а принимает значения:

1 - на входе; 5 - на входе в вихревую трубу;

2 - после винтовой головки; 6 - на входе в диафрагму;

3 - после кольцевого канала; 7 - на входе в устройство торможения;

4 - в сечении сопловой ввода; 8 - на входе в устройство возврата потока;

9 - на вход в диафрагму из устройства возврата потока;

/ос - тепловой поток положительной обратной связи первого

уровня;

Пос - тепловой поток положительной обратной связи второго уровня;

вых - на выходе из устройства. Основная система критериальных уравнений для построения твердотельной модели представлена в следующем обобщенном функционале:

& = ДЛ, Л, ЪI г Л Д 7Я М, Eu.Ro, Ке) (2)

>

где /е - относительная площадь входных сопел, /д - относительная площадь диафрагмы, /г - относительная площадь кольцевого канала, 1 - относительная длинна камеры энергетического разделения, г - относительный радиус камеры энергетического разделения, X - относительный параметр теплообмена, 8 - относительный параметр поверхности теплообмена, Т'г -относительная величина температуры газа на выходе к температуре на входе, к - отношение давления входящего газа к давлению газа на выходе, к - показатель адиабаты.

Структурная схема (рисунок 4) позволяет разработать алгоритм формирования проточной части устройства (рисунок 5), реализующего

реализации положительной обратной связи по тепловому контуру и внутреннего смешения. В конструкцию регулятора вводится прямоточная вихревая труба (отбор охлажденного и нагретого потоков производится с одной стороны), с торможением и возвратом нагретого потока в осевую область по направлению к диафрагме вихревой трубы (рисунок 5).

Обобщенный функционал Кг (2), определяемый совместным решением системы критериальных уравнений , определяет режим работы регулятора и возможность получения квазиизотермического процесса. При Кг -1 режим работы устройства изотермический Та = Твш, при Кг > 1 происходит подогрев газа на выходе из устройства Та < Теьа, при Кг < 1 происходит охлаждение газа Та > Твш. Квазиизотермический процесс дросселирования соответствует 0,95 <&<!,! в допустимом интервале изменения температур па выходе относительно входной температуры.

Камера 1нсргоряа1йпеи

Кан&ч подвода газа

Область вихревой трубы

Область соплового ввода

Рисунок 6. Расчетная сетка в проточной части устройства закрутки.

Рисунок 5. Твердотельная модель устройства дросселирования Согласно разработанной структурной схеме и проточной части устройства дросселирования давления газа описание течения турбулентного вязкого потока газа возможно системой дифференциальных уравнений, состоящей из уравнения движения, уравнения сохранения энергии, уравнения сохранения массы, уравнения состояния. В работе была использована двух параметрическая модель турбулентности, состоящая из уравнений переноса турбулентной кинетической энергии и уровня ее диссипации.

Особенностью рассматриваемой задачи является учет теплопроводности через твердую стенку внутреннего контура, определяющая перенос тепла из камеры энергетического разделения и тормозного устройства через стенки к входному потоку газа.

Для замыкания системы дифференциальных уравнений использовались (рисунок 5) следующие граничные условия: на внешних стенках модели (Г2) задавалось условие адиабатической непроницаемой стенки с касательной скоростью на стенке, равной нулю; на входной поверхности (Г|) задавалась температура потока и величина давления; на выходной поверхности (Г4) использовалось условие поддержания постоянного давления; на внутренней стенке (Гз) использовалось граничное условие теплового пото-

ка, величина которого пропорциональна разности температур в камере энергетического разделения и входного потока обтекающего стенку с внешней стороны.

Составленная система дифференциальных уравнений решается в программе вычислительной гидродинамики Solid Work Flow Simulation ©.

В третьей главе предложена методика численного моделирования квазиизотермического процесса дросселирования давления газа, для чего создается пространственное описание устройства квазиизотермического дросселирования, построение расчетной сетки, определение начальных и граничных условий, решение, проверка и подтверждение адекватности результатов моделирования.

Разработанная твердотельная модель устройства квазиизотермического дросселирования давления газа представлена на рисунке 7. Разработанная пространственная сетка содержала более 6 ООО ООО ячеек с локальным измельчением в узких каналах (рисунок 6)

Рисунок 7. Конструктивная схема дросселирующего устройства: 1 - наружная теплоизолирующая труба, 2 - винтовая теплопередающая головка, 2' - теплопроводная цилиндрическая стенка вихревой трубы, 2" - кольцевой канал закрученного потока, 2"' - камера входа в закручивающее устройство, 3 - камера температурной стратификации (вихревая труба), 4 - закручивающее устройство, 5 - регулирующие клинья, 6 - устройство торможения, 7 - устройство поворота потока газа, 8 - диафрагма, 9 - диффузор

По результатам численного моделирования получены распределения полей изменения температур и скоростей по каналу проточной части регулятора.

Численное моделирование позволило рассчитывать процесс дросселирования в зависимости от различных вариантов входных параметров газа и различных конфигураций проточной части устройства дросселирования.

Анализ результатов численного моделирования позволил уточнить структурную схему устройства квазиизотермического дросселирования давления газа и выявить особенности течения потока газа, влияющие на процесс температурной стратификации в его проточной части.

Определено, что значительное влияние на процессы, происходящие в проточной части, оказывает геометрия закручивающего устройства. При одинаковых размерах сопла его ориентация ощутимо влияет на процесс температурной стратификации. Так, например, яри организации сопла

перпендикулярно оси трубы, максимальная температура потока в камере энергетического разделения повышается на 4...6 градусов по сравнению с расположением сопла параллельно оси трубы, что влияет на температуру смешанного потока благодаря, положительной обратной связи.

В результате анализа результатов численного моделирования в проточной части устройства квазиизотермического дросселирования было выявлено наличие крупной вихревой структуры.

Анализ изменения температурного поля в проточной части регулятора (рисунок 8) показывает наличие разницы температур по радиусу проточной части (г) между внутренним и наружным газовым потоками, что свидетельствует о перетекании тепла через стенку вихревой трубы и винтовой головки. Это и организует положительную обратную связь и повышение температуры до квазиизотермического уровня. Количество точек замера параметров определялось из условия попадания не менее 6 измеряемых точек в проточную часть канала.

На структуру потока и результаты температурной стратификации влияют геометрические параметры выходной диафрагмы. Анализ результатов численного моделирования показал изменение температуры стенки вдоль оси трубы (рисунок 9). Для построения зависимости температуры стенки по длинне (¿) были использованы данные численного моделирования, проведенного при диаметрах выходной диафрагмы от 30 до 60 мм с шагом 10 мм.

Максимальная температура стенки в проточной части достигается в области входа в тормозное устройство. Для разработанного устройства, и определенных в процессе разработки модели геометрических параметров проточной части, диаметр диафрагмы, позволяющий обеспечить максимальный подогрев внутренних стенок, составил 40 мм. При температуре

потока на входе в устройство дросселирования давления газа 15 °С температура внутренней стенки достигает 32°С.

Температура стенка, "С 30

0,05 9Д 0Д5 Й,2 0Д5 0,3 0,3? -V- 30 им -й-40 Ш -о-$Фш -о- № лш Длина камеры, м

Рисунок 9. Осевое изменение температуры стенки

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований температурных характеристик полученных на экспериментальном образце квазиизотермического регулятора, испытанного на специализированном стенде на сжатом воздухе, результаты испытаний показывают практическую возможность осуществления этого процесса.

Разработана методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования, включающая в себя численное моделирование, экспериментальные исследования и их взаимосвязь.

В состав стенда входят система подвода воздуха от компрессорной станции, модель устройства дросселирования давления, система управления потоком газа, система измерений, позволяющая в режиме реального времени контролировать термогазодинамические характеристики.

Общий вид стенда представлен на рисунке 10. Объект исследований - разработанная экспериментальная модель регулятора с задвижкой шиберного типа на выходе.

Базовая схема измерений режимных параметров экспериментальной установки приведена на рисунке 11. Для измерения температуры использовались хромель-копелевые термопары с закрытым спаем, для измерения

давления - датчики типа Ж. Расход воздуха, проходящего через регулятор, измерялся мерным сужающим устройством.

режимных параметров вихревого регу-Рисунок 10. Вихревой регулятор лятора:

давления газа для газораспреде- 1,2,3,4, 5, б - точки измерения температу-лительных станций (фотография) ры газа;

7,8, 9,10 - точки измерения давления газа;

11 - задвижка на выходе регулятора.

В процессе экспериментальных исследований выполнялись работы по определению влияния давления и температуры газа на входе в дросселирующее устройство и выходе из него, также проводились исследования с изменением геометрических параметров соплового ввода. Исследовано влияние изменения площади входных сопел на термогазодинамические параметры, процесс внутреннего смешения и организацию крупновихревой структуры, выявленной в результате численного моделирования.

Рисунок 12. Влияние величины противодавления на характер подогрева газа на выходе из устройства вихревого дросселирования при давлении на входе равном 1,6 МПа

В процессе анализа результатов экспериментальных исследований определено уравнения рабочего процесса в обобщённом виде, характеризующее изменение параметров в проточной части.

Уравнение процесса в обобщенном виде имеет вид:

7«, =[№№ + адНз -ЛС (3)

Полученное уравнение учитывает в себе:

1) влияние величины давления на входе в регулятор;

2) влияние величины перепада давления на регуляторе;

3) влияние величины перепада давления на входе в регулятор.

Результаты испытаний на воздухе показали, что в условиях натурных испытаний конструкция работает эффективно при величине степени снижения давления тс=рвх/рйь1х=3; для снижении давления (требуемого в промышленных масштабах) с 4,8 МПа до 0,4 МПа целесообразно применение двухступенчатой системы редуцирования давления, состоящей из двух идентичных регуляторов со степенью снижения давления я ~ 3,5 ... 4.

По результатам обработки и анализа экспериментальных данных были получены зависимости, подтверждающие возможность квазиизотермического дросселирования и зависимости, связывающие термодинамические процессы (рисунок 12). Изменение температуры на входе в устройство дросселирвоания, позволяет повысить температуру потока на выходе из устройства, таким образом, увеличивая передачу тепла от корпуса вихревой трубы к входному газу, возможна реализация квазиизотермического процесса дросселирования.

Гвых, °С

Рисунок 13. - Зависимость изменения температуры газа на выходе от величины изменения температуры газа на входе в устройство дросселирования

давления газа

Реализация положительной обратной связи по тепловому контуру, обеспечивает подогрев входного газа, и тем самым повышая температуру

потока газа на выходе. Значительное превышение температуры выходного газа, относительно температуры входного потока газа в регулятор экспериментально подтверждает наличие положительной обратной связи и возможность существования квазиизотермического процесса дросселирво-ания (рисунок 13).

На основе анализа полученных результатов экспериментальных исследований и проведенного численного моделирования выполнена верификация математической модели.

Разработана методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования, включающая в себя последовательное проведение операций (рисунок 14) с итерационным уточнением параметров модели.

Технические данные

Ж

Теоретическое описание

Разработка прнкин ПНАЛЬНОЛ схемы

тг

Аин.тяэ результатов. Построение хариктеристик

з:

Проведеал«? экспериментальных »ГССЛСДОВЯНИЙ

Выполнение расчета

Ж.

Обработка эксперпментллыал данных

Разработан структурной схемы

Разработка гвердогедьной модели

Разработка расчетной сетки

Разработка начачьшх и граничных услояиЛ

Разработка математической модели

Верпфикядня

AiiH.ua ре*узьтатоп. Построение хар!цсгернсгвк

Рйчряботтся реюмеилаппй по проектированию

Моаелировшше физических пропессов

Построение хоря стер II стих

Рисунок 14. Алгоритм методики моделирования процесса квазиизотермического дросселирования Алгоритм методики моделирования процесса квазиизотермического дросселирования давления газа включает в себя последовательность действий и итерационное изменение параметров модели. Выполнение работ по разработке устройства дросселирования согласно предложенному алгоритму начинается с разработки и формирования технического задания и первичного теоретического описания протекающих процессов в нем. Заканчивается разработка построением характеристик устройства и разработкой рекомендаций по проектированию.

Таким образом, сформирована методика моделирования, включающая теоретическое обоснование, численное и физическое моделирование, верификацию математической модели, моделирование по верифицированной модели, построение характеристик и выработку рекомендаций, позволяющих выполнять моделирование процесса квазиизотермического дросселирования.

Основные результаты и выводы

1. На основе анализа выполненных работ определена возможность существования квазиизотермического процесса дросселирования и алгоритм его формирования. Разработан алгоритм подбора параметров проточной части устройств на основе положительной обратной связи и внутреннего смешения стратифицированных потоков в устройстве на основе вихревой трубы. Разработанные алгоритмы включают в себя поэтапный процесс создания устройств реализующих квазиизотермический процесс дросселирования давления газов.

Установлено, что для данного типоразмера твердотельной модели отношение площади соплового ввода к площади вихревой камеры должно составлять 0,5 - 0,63, отношение площади диафрагмы к площади вихревой камеры должно составлять 0,35-0,52, длина вихревой камеры составляет при этом не более 8 калибров. Угол атаки лопастей тормозного устройства должен составлять 28 - 32 градуса.

2. Определена система дифференциальных уравнений, описывающих процесс квазиизотермического дросселирования давления газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков со смешанными граничными условиями.

В результате численного моделирования определено наличие температурных градиентов по внутреннему контуру устройства дросселирования и положительной обратной связи по тепловому контуру.

3. Проведены экспериментальные исследования и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа, подтвердившие возможность его существования.

Выявлено, что квазиизотермический процесс реализуется за счет внутреннего смешения и организации положительной обратной связи в диапазоне степени расширения дросселируемого давления 3,5-4 в принятой для анализа конструктивной схемы.

4. Разработана и экспериментально проверена методика, направленная на обеспечение системы транспортировки и распределения природного газа энергосберегающими установками, позволяет сократить временные затраты на проектирование в 2-3 раза. За счет моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели на основе экспериментальных и численных исследований уточнена принципиальная и структурная схема, а так же проточная часть и твердотельная модель, что учтено путем введения обратных связей и итерационных операций уточнений.

Список основных работ но теме диссертации

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1) Численное моделирование процессов температурной стратификации в изотермическом вихревом регуляторе с внутренним смешением / Свистунов А. В., Ахметов Ю. М., Пархимович А. Ю. // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ. 2010. Т. 14. № 2 (37). С. 41-50.

2) Исследование влияния тормозного устройства на структуру потока и параметры изотермического вихревого регулятора давления / Свистунов А. В. Ахметов Ю. М., Пархимович А.Ю., Соловьев А. А., Це-лищев В. А., Чиндина А. А. // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ. 2011. Т. 14, №4 (44). С. 149 - 153 С.

В патентах Российской Федерации

3) Вихревой регулятор давления / Ахметов Ю. М., Турин С. В., Калимуллии Р. Р., Свистунов А. В., Ситников А. А., ЦелищевВ. А.: Пат. 2412348 РФ, МПК7 С05Б 16/00, Заявл. 12.05.2010; опубл. 20.10.11, Бюл. №29(1 ч.). - 7 с.

В других изданиях

4) Численное моделирование процессов температурной стратификации в изотермическом вихревом регуляторе / Ахметов Ю. М., Пархимович А. Ю., Свистунов А. В. // Наука - производству: Ежегодный научно-технический сборник. Вып. 5. Уфа, АН РБ, Гилем 2010. С. 126 - 141.

5) Особенности течения газа в вихревой камере ИВРД в устройствах температурной стабилизации летательных аппаратов / Ахметов Ю. М., Турин С. В., Пархимович А. Ю., Свистунов А. В., Соловьев А. А. // «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» «ИиЭРТ-2010»: Сборник докладов IX Международной научно-технической конференции 6 - 8 октября 2010 г., ДГТУ, Ростов-на-Дону С. 41-48.

6) Использование особенностей вихревых течений высоконапорных жидкостей и газов в технологиях транспортировки природного газа / Ахметов Ю. М., Калимуллин Р. Р., Свистунов А. В., Целищев В. А., Юрьев В. Л. // Наука-производству: Ежегодный научно-технический сборник. Вып. 6. Уфа, АН РБ, Гилем, 2010. С. 165-174.

Публикации в трудах Всероссийских и Международных конференций

7) Система измерения стенда испытания вихревых труб / Свистунов А. В., Ситников А. А., Гарипов А. А. // «Мавлютовские чтения». Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», УГАТУ, - Уфа, 2007г. С. 92 - 93.

8) Особенности формирования изотермического процесса дросселирования сжимаемой среды / Свистунов А. В., Григорьева О. В. // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции, УГАТУ, - Уфа, 2008г. С. 112 - 113.

9) Исследование процессов квазиизотермического дросселирования газа при вихревых течениях с использованием эффекта Ранка-Хильша / Свистунов А. В., Григорьева О. В. Ахметов Ю.М.// Тез. докл. XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. МЭИ и МГТУ им. Баумана 2008г. С. 62.

10) Эффект Джоуля-Томсона и его применение в авиационной технике / Свистунов А. В., Зангиров Э. И. // «Решетневские чтения»: Сборник трудов Международной научной конференции, 2009г. С. 252 - 253.

11) Численное моделирование процессов изотермического дросселирования в вихревом изотермическом регуляторе давления с внутренним смешением / Свистунов А. В., Науч. руковод.- канд. техн. наук, доц. Ю.М. Ахметов // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской молодежной научно конференции, УГАТУ, - Уфа, 2009г. С. 75.

12) Численное моделирование и визуализация процессов движения газа в изотермическом вихревом регуляторе давления / Свистунов А. В., Чиндина А. А. // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской молодежной научно конференции, УГАТУ, - Уфа, 2010г. С. 171 - 172.

13) Влияние положительной обратной связи по тепловому контуру на характеристики изотермического процесса в ИВРД / Свистунов А. В., Зангиров Э. И., Мухаметов М. В., Науч. рук. - канд. техн. наук., доц. Ахметов 10. М. // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской молодежной научно конференции, УГАТУ, - Уфа, 2010г. С. 159.

14) Исследование структуры потока в изотермическом вихревом регуляторе давления / Свистунов А. В., Ахметов Ю. М., Пархимо-вич А. Ю., Соловьев А. А., ЦелищевВ. А., Чиндина А. А. //«Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции в 5 т. Том 4. Механика жидкости и газа / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2011. - 282 с. С. 27-32.

15) Получение идентифицированной модели при изменении температуры на входе в регулятор / Свистунов А. В., Байназарова Л. А., Зангиров Э. И. И «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. Том 1/УГАТУ, - Уфа: УГАТУ, 2011г. С. 95-96.

16) Оценка динамических погрешностей канатов измерения температуры вихревых потоков в ИВРД / Свистунов А. В., БакиеваА. Д., Чиндина А. А. // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. Том 1 / УГАТУ, - Уфа: УГАТУ 2011г С. 97.

17) Обработка результатов испытаний изотермического вихревого регулятора давления газа и выявление зависимостей температур от давления газа на входе и выходе регулятора / Свистунов А. В., Фархутди-нов А. И., Гаврилова В. А. // «Мавлютовские чтения»: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. Том 1/УГАТУ, - Уфа-УГАТУ, 2011г. С. 123.

Диссертант

Свистунов А. В.

СВИСТУНОВ Антон Вячеславович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ВИХРЕВЫХ УСТРОЙСТВАХ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ

Специальность 05.04.13 -«Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 15.02.2012 г. Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 574

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Глава 1. Аналитический обзор проблемы дросселирования и обоснование возможности процесса квазиизотермического дросселирования

1.1. Проблемы дросселирования давления газа.

1.2. Обзор теоретических исследований процесса вихревого эффекта.

1.3. Обоснование возможности получения процесса квазиизотермического дросселирования давления газа и постановка задач работы.

1.4. Анализ математических моделей вихревого эффекта.

Выводы.

Глава 2. Разработка методики численного моделирования квазиизотермического процесса в устройствах дросселирования.

2.1. Разработка структурной схемы процесса квазиизотермического дросселирования.

2.2. Разработка алгоритма формирования проточкой части устройства квазиизотермического дросселирования давления газа.

2.3. Формирование критериальной базы и разработка математической модели процесса квазиизотермического дросселирования давления газа.

2.4.Выбор и обоснование использования к-г модели турбулентности.

Выводы.

Глава 3. Численное моделирование процесса квазиизотермического процесса дросселирования.

3.1. Общие принципы методики моделирования вихревых течений реализующих процесс дросселирования давления газа.

3.2. Построение расчетной области численного решения.

3.3. Оценка погрешности численного эксперимента.

3.4. Результаты численного моделирования процесса температурной стратификации с внутренним смешением.

Выводы.

Глава 4. Физическое моделирование и идентификация квазиизотермического эффекта дросселирования газа.

4.1. Разработка методики физического моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа.

4.2. Экспериментальное исследование характеристик процесса квазиизотермического процесса дросселирования.

4.3. Обработка и результаты экспериментальных данных.

4.4. Верификация результатов моделирования.

4.5. Рекомендации по проектированию квазиизотермических дросселирующих устройств.

Выводы.

Актуальность исследования:

Повышение энергетической эффективности трубопроводных систем распределения и транспортировки газа является приоритетным направлением развития энергетики и энергетической эффективности промышленности Российской Федерации и входит в перечень критических технологий, определяющих процесс создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления энергетических ресурсов.

Разработанная учеными Уфимского государственного авиационного технического университета и ОАО «Научно-исследовательский институт технологии» технология квазиизотермического дросселирования давления газа позволяет уменьшить снижение температуры газа, выпадение кристаллогидратов и образование конденсатных пробок. Она позволяет исключить энергетически затратное и неэффективное подогревающее оборудование. Решение данной проблемы, проведенное на экспериментально-идентификационном уровне, не позволяет производить разработку устройств квазиизотермического дросселирования для требуемой номенклатуры по расходно-эксплуатационным характеристикам.

Для проведения работ по разработке устройств на уровне современных технологий вычислительной техники необходима разработка методов расчета и проектирования квазиизотермических дросселирующих устройств на основе эффекта Ранка, что обуславливает актуальность поставленной задачи для моделирования и проектирования квазиизотермических устройств дросселирования газа. Таким образом, актуальность данной работы заключается в необходимости создания методики моделирования, включающую в себя методы численного моделирования и методы экспериментальных исследований для проектирования и разработки устройств, реализующих квазиизотермический процесс дросселирования давления газа.

Цель работы. Разработка методики моделирования квазиизотермического процесса дросселирования для проектирования газовой аппаратуры.

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1) разработка алгоритма формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) разработка системы математических уравнений для описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и смешанных граничных условий первого и второго рода;

3) проведение экспериментальных исследований и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа;

4) разработка методики моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Научная новизна

Новые научные результаты, полученные в работе:

1) алгоритм формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) система уравнений описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа со смешанными граничными условиями и учетом тепломассообмена стратифицированных потоков;

3) разработана и экспериментально проверена методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет сократить временные затраты и повысить эффективность расчетных работ при проектировании дросселирующих устройств и сократить затраты на проведение расчетных, проектных работ и экспериментальных исследований.

Результаты исследований внедрены в следующих организациях:

1) ООО «Уфимский .завод нефтегазового оборудования» при проектировании устройств дросселирования, транспортировки и хранения нефтяных и газовых продуктов, в частности, при проектировании узлов учета попутного газа в местах нефтедобычи;

2) ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в виде конспекта лекций в рамках учебно-образовательного курса «Механика жидкости и газа».

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

1) корректном использовании методов верификации и идентификации, обосновывающих возможность реализации квазиизотермического процесса;

2) использовании апробированных и общепризнанных методов численного моделирования, соответствующих современному уровню;

3) использовании результатов большого объема экспериментальных исследований и сопоставлением с результатами теоретических исследований;

4) корректном использовании положений классической термодинамики и механики жидкости и газа.

В работе использованы экспериментальные материалы - результат десятилетних разработок и исследований вихревых аппаратов и дросселирующих устройств на их основе в УГАТУ.

Основание для выполнения работы

Работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований автора в период с 2007 года по настоящее время, выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» (ПГМ) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). В работу вошли результаты НИР, проведенные на кафедре ПГМ 1999-2011 гг., по проектам ФЦП «Интеграция» и хозрасчетным договорам с ОАС «НИИТ» по разработке квазиизотермических вихревых регуляторов давления газа с отделением несанкционированной влаги для газораспределительных станций и пунктов по заказу ОАО «Баштрансгаз» и ОАО «Тюменьмежрайгаз».

На защиту выносятся

1. Обоснование возможности реализации квазиизотермического процесса дросселирования давления газа, реализуемого за счет положительной обратной связи по тепловому контуру и внутреннего смешения стратифицированных потоков.

2. Математическая модель процесса квазиизотермического дросселирования газа и результаты численных исследований.

3. Результаты экспериментальных исследований и верификация математической модели.

4. Методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа на основе экспериментальных и численных исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертации были представлены на следующих международных и российских конференциях:

- Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2007, 2008, 2010, 2011 гг.;

- Международной научно-технической конференции «Студенты и аспиранты аэрокосмическому комплексу России», г. Геленджик, 2008 г.;

- XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г. Москва, 2008 г.;

- Международной научно-технической конференции «Решетневские чтения», г. Красноярск, 2009 г.;

- III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г. Москва, 2010 г.;

- IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.;

- V Всероссийской школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике», г. Уфа, 2010 г.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 17 опубликованных работах, в том числе в 2-х статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, и патенте Российской Федерации № 2431883.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы; изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 иллюстрации, 3 таблицы; библиографический список включает 73 наименования.

Выводы

Проведены экспериментальные исследования и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа, подтвердившие наличие положительной обратной связи по тепловому контуру и ее влияние на внутренние процессы.

Анализ экспериментальных исследований дросселирования давления газа показал:

- при определенных условиях вихревого редуцирования газа возможно меньшее снижение температуры, чем при простом дросселировании;

- теоретическая зависимость выходной температуры от параметров газа на входе в регулятор и величины давления на выходе из него;

- определены эмпирические зависимости рабочего процесса дросселирования и учет влияния параметров газа на входе в регулятор и выходе из него;

- подтверждена возможность квазиизотермического редуцирования газа, в том числе и с повышением температуры газа на величину до +5 С.

Разработана методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа на основе экспериментальных и численных исследований, впервые учитывающая наличие положительной обратной связи по тепловому контуру и внутреннее смешение потоков.

Проведена верификация экспериментальных исследований, показавшая, что погрешность результатов составляет в среднем 6-12 %;

Разработанная методика позволяет рассчитать конструктивно-компоновочные параметры и выработать рекомендации по проектированию устройств дросселирования, реализующие квазиизотермический процесс на основе процесса дросселирования в вихревой трубе.