автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Двумерное компьютерное моделирование нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах

Российский химико-технологический университет им Д.И.Менделеева

На правах рукописи

УДК 532+536+66

КАНТЮКОВ РАФКАТ АБДУЛХАЕВИЧ

ДВУХМЕРНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ СЖИМАЕМЫХ ГАЗОВ В СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ТРУБОПРОВОДАХ

05.13.16- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химия), 05.17.08 - Процессы и аппараты химических производств.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Действительный член (академик) Академии технологических наук РФ, профессор, доктор технических наук, Мешалкин В.П. Профессор, доктор физико-математических наук, Бутусов О.Б.

Москва 1999.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Современное состояние научных исследований по математическому моделированию нестационарных гидродинамических процессов в сложных технологических трубопроводах .12

1.1. Математическое моделирование распространения ударных волн в узлах сложных технологических трубопроводов 12

1.2. Математическая модель гидродинамических процессов "частицы в ячейке" и ее применения для моделирования течения сжимаемых газов 21

1.3. Математическая модель гидродинамических процессов Мак Кормака и ее применения для моделирования течения сжимаемых газов 27

1.4. Числовые интегральные характеристики нестационарных гидродинамических процессов в сложных технологических трубопроводах 29

1.5. Цели и задачи диссертационной работы 41

Глава 2. Двухмерная математическая модель и алгоритмы анализа

нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах 43

2.1. Двухмерная математическая модель нестационарных гидродинамических течений сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах 43

2.2. Конечно-разностная вычислительная схема модели течений "частицы в ячейке" 46

2.3. Конечно-разностная вычислительная схема модели течений Мак Кормака 53

2.4. Алгоритм расчета граничных и начальных условий для нестационарных течений в узлах сложных технологических трубопроводов 56

2.5. Алгоритмы анализа нестационарных течений в типовых узлах сложных технологических трубопроводов 62

2.5.1. Алгоритм анализа нестационарных течений в конфузоре 62

2.5.2. Алгоритм, анализа нестационарных течений в диффузоре 70

2.5.3. Алгоритм анализа нестационарных течений в поворотном колене с острой кромкой и углом поворота 90° ' 77

2.6. Выводы 84

Глава» 3. Архитектура и программно-информационное обеспечение компьютерно-информационной системы моделирования нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах 87

3.1. Архитектура компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных гидродинамических процессов в сложных технологических трубопроводах 87

3.2. Информационное обеспечение компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных газовых потоков в сложных технологических трубопроводах 93

3.3. Пользовательский интерфейс компьютерно-информационной системы

99

3.4. Программное обеспечение компьютерной модели "частицы в ячейке".

107

3.5. Программное обеспечение компьютерной модели Мак Кормака 113

3.6. Программный модуль расчета граничных и начальных условий для нестационарных течений в узлах сложного трубопровода 116

3.7. Программный модуль расчета числовых интегральных характеристик для оценки нестационарных течений в узлах сложного трубопровода 119

3.8. Программный модуль визуализации результатов компьютерного моделирования нестационарных течений сжимаемого газа в типовых узлах сложных трубопроводов 128

3.9. Выводы 131

Глава 4. Двухмерное компьютерное моделирование нестационарной

гидродинамики сжимаемых сред в сложных технологических трубопроводах крупнотоннажных производств этилена и аммиака ' 134

4.1. Математическая модель нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложном технологическом трубопроводе крупнотоннажного производства этилена 134

4.2. Двухмерное компьютерное моделирование полей распределения температуры и давления при распространении импульсов сброса избыточного давления в узлах сложного трубопровода крупнотоннажного производства этилена

143

4.3. Математическая модель нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложном технологическом трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов крупнотоннажного производства аммиака 150

4.4. Двухмерное компьютерное моделирование полей распределения температурь!! и давления для течения сжимаемых газов в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода 158

4.5. Рекомендации по практическому использованию разработанного алгоритмического и программно-информационного обеспечения компьютерного моделирования нестационарных течений сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах 161

Основные результаты научных исследований 164

Литература , 167

ПРИЛОЖЕНИЯ 177

Приложение 1. Инструкция пользователю компьютерно-информационной системы моделирования нестационарной гидродинамики ' 178

Приложение 2. Распечатки основных компонентов программно-информационного обеспечения компьютерно-информационной системы моделирования нестационарной гидродинамики 185

Приложение 3. Справка о практическом использовании результатов диссертационной работы 225

Введение.

Технологические трубопроводы (ТТ) представляют собой одну из основных и важных конструкционных частей любого химического, нефтеперерабатывающего и нефтехимического производства, которые являются ' сложными химико-технологическими системами (ХТС) [1-3]. ТТ связывают между собой как различные аппараты и машины химических технологий некоторой ХТС, так и различные ХТС данного химического предприятия. По. ТТ транспортируются жидкие, газовые, однокомпонентные, многокомпонентные, однофазные и многофазные технологические потоки, особенности течения которых изучает химическая гидродинамика [2]. Термогидродинамические режимы транспортирования технологических потоков варьируются в широком диапазоне [410]. По функциональному назначению ТТ разделяются на внутрицеховые и межцеховые трубопроводы [1,7-9]. Для многих химических производств требуется транспортирование по ТТ жидкостей и газов с температурой выше температуры воспламенения и при высоком давлении, что превращает ТТ в источник повышенной опасности [3,5,7-10]. Поэтому важным вопросом эксплуатации ТТ является обеспечение их безопасности и надежности [2,5,10-12]. На химических производствах (ХП) ТТ используются также для организации сброса высокого давления на факел. При этом могут возникать условия, при которых по ТТ распространяется ударная волна. Конфигурация и конструкция ТТ при этих гидродинамических процессах должна обеспечивать его безопасность и надежность. Таким образом, система технологических трубопроводов является важной функциональной частью любой ХП, а гидродинамический расчет ТТ важным этапом проектирования ХП [1,2,7,9-2].

В настоящее время для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации различных ХТС и технологических трубопроводов весьма

актуальным является вопрос оптимизации гидродинамических процессов с учетом §

воздействия на трубопровод ударных волн и колебаний потока. Проблемы, связанные с возникновением в газовых трубопроводных системах ударных волн, были рассмотрены впервые в работе [17] и заключается в следующем. При необходимости опорожнения емкостей с газом высокого давления после открывания клапана сброса возникает ударная волна, которая распространяется по трубопроводу и может вызвать его разрушение. Необходимость опорожнения

емкостей с газом высокого давления может возникнуть при аварийной ситуации на химическом или нефтехимическом производстве. Для оптимизации гидродинамических процессов сброса давления необходимо определить факторы, которые способствуют увеличению мощности ударной волны, так чтобы, воздействуя на них, добиться ее ослабления. Для того, чтобы ответить на этот вопрос необходимо использовать, как результаты компьютерного моделирования, так и детальный анализ экспериментальных данных о гидродинамических процессах в ТТ.

Анализ технологических данных показывает [18,19], что при открытии клапана сброса по трубопроводу движется ударная волна со скоростью примерно ~ 500 м/с. При этом, учитывая, что длина трубопровода аварийного сброса газа составляет около 2 км, имеем характерное время прохождения ударной волны ~ 4 с, что значительно меньше времени полного открытия клапана, равного 20 - 30 с.

Следовательно, в течение всего периода движения по трубопроводу ударная *

волна будет получать энергию от стационарной сверхзвуковой струи сбрасываемого газа. В работе [18] найдено, что перепад давления в ударной волне пропорционален отношению скоростей звука в толкающем -а, и толкаемом газах

а,

а2: чем выше отношение —, тем сильнее ударная-волна. Другими важными

характеристиками, влияющими на гидродинамические процессы в ТТ, являются геометрические характеристики сложного трубопровода: узлы сочленения, изгибы, сужения, расширения, колена с различными углами поворота и пр. Эти геометрические характеристики имеют важное значение для формирования условий распространения ударной волны в трубопроводах и могут быть использованы в качестве варьируемых параметров при решении задач оптимизации надежности и безопасности ТТ. Так в работе [19] предложены.методы геометрической реконфигурации сложного трубопровода ^для демпфирования ударных волн.

Важным при изучении гидродинамических процессов в химических аппаратах и трубопроводах являются вопросы обеспечения равномерного распределения потока по рабочему сечению аппарата и трубопровода, что обусловлено тем, что неравномерность потока значительно ухудшает технико-экономические показатели химико-технологических процессов (ХТП) ХТС [20]. При наличии в сложном трубопроводе различного рода резких переходов, изгибов и

других сложных узлов сглаживание потока может быть достигнуто лишь при помощи специальных выравнивающих устройств [20]. При этом эффективным инструментом изучения распределений гидродинамических характеристик потока по сечению и вдоль сложного трубопровода является математическая и компьютерная модель гидродинамики. Для газовых потоков, скорость течения которых нельзя считать малой по сравнению с тепловой скоростью или со скоростью звука, необходимо учитывать эффекты сжатия и использовать для математического моделирования уравнения гидродинамики сжимаемых сред [2,10]. Относительное движение различных частей потока вследствие его деформации в узлах сложного трубопровода приводит к возникновению гидродинамической неустойчивости с возникновением турбулентности [21].

Уравнения гидродинамики сжимаемых сред (уравнения Навье-Стокса) [2,10] позволяют описывать разнообразные физические явления от глобальных атмосферных вихрей до одномерных ударных волн и струйных течений. При этом, если вязкость среды больше некоторого критического значения, все решения краевой задачи с начальными условиями монотонно стремятся к единственному решению, соответствующему основному течению, и любое возмущение этого течения будет затухать [22]. Дальнейшее уменьшение вязкости потока приводит к

.у •

течениям сложной структуры и постепенному переходу к турбулентности через повторяющиеся бифуркации или неоднородности (гипотеза Ландау и Хопфа). Указанные сложные гидродинамические процессы в настоящее время составляют предмет теоретических и экспериментальных исследований и до конца не выяснены [23,24]. В работе [25] отмечается, что к нерешенным задачам современной химической гидродинамики [2] относится задача описания турбулентности и, в частности, вопрос, позволяет ли гидродинамическая модель течений Навье-Стокса общего вида: и, =£и, где и(х,/) - поле скоростей течения, I

- нелинейный оператор, зависящий от скорости и ее производных, описывать турбулентные течения. При такой постановке вопроса становится реальным подход, основанный на отказе от" детерминированного* описания и учете в уравнениях химической гидродинамики малого шума и. случайных процессов. Уравнения гидродинамики сжимаемого газа при таком подходе могут быть представлены в следующем виде [25]: и, = 1и + <5(0 где ¿>((.)- случайная компонента. Роль этой случайной компонеты - 6(() могут играть ошибки дискретизации при компьютерном моделировании. Это может служить

обоснованием использования на новом этапе гидродинамичёского моделирования модели "частицы в ячейке" (Р1С-модель) именно для описания неустойчивых нестационарных гидродинамических течений в диапазонах, для которых характерно формирование и разрушение сложных структур вихревого течения газовых потоков в сложных трубопроводах. Подобные процессы наиболее характерны для узлов сочленения сложного трубопровода, в которых существует значительная деформация течения.

В настоящее время широкое использование мощных персональных ЭВМ

(ПЭВМ) позволяет практически проводить компьютерное моделирование »

гидродинамики сжимаемых жидкостей в сложных ТТ. При этом могут успешно разрабатываться и применяться на ПЭВМ компьютерные модели гидродинамики с повышенными требованиями к объему вычислительных ресурсов и, в частности, компьютерная модель гидродинамики "частицы в ячейке" [21,31,32,87].

Настоящая диссертация посвящена разработке двухмерных математических и компьютерных моделей гидродинамики сжимаемых газов в сложных ТТ, разработке архитектуры и программно-информационного обеспечения компьютерно-информационной системы (КИС) моделирования нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в узлах сложных технологических трубопроводов с применением математических моделей гидродинамики - модели "частицы в ячейке" (РЮ-модели) и модели Мак Кормака [26,46,48].

Основные направления исследований данной кандидатской диссертации выполнялись в соответствии с проектами Государственной научно-технической программы Госкомитета науки и технологий РФ "Экологическая безопасность химических производств" и Государственной научно-технической программы РФ "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов. Приоритетное направление - создание энергосберегающих процессов на основе рациональных химико-технологических систем, оптимизации технологического оборудования и эффективных систем разделения многокомпонентных смесей". Научная новизна диссертации состоит в следующем:

Разработана методика использования математических моделей "частицы в ячейке" и Мак Кормака для двухмерного моделирования нестационарных течений сжимаемых газов в узлах сложных технологических трубопроводов;

Разработана двухмерная блочная математическая и компьютерная модели нестационарной гидродинамики сжимаемых Газов в сложных технологических трубопроводах, базирующаяся на использовании модели гидродинамических процессов "частицы в ячейке" и модели Мак Кормака . Разработаны алгоритмы расчета интегральных, гидродинамических характеристик течений в сложных ТТ, которые можно использовать для сравнения и классификации различных течений сжимаемых газов по степени их влияния на прочностные характеристики сложных ТТ. Разработаны конечно-разностные схемы и алгоритмы решения краевых задач для гидродинамической модели "частицы в ячейке" и модели Мак Кормака в блочных приближениях.

Разработаны компьютерные модели и алгоритмы анализа нестационарной гидродинамики в типовых узлах сложных технологических трубопроводов: узла внезапного сужения с большего диаметра трубопровода на меньший (конфузора), узла внезапного расширения с меньшего диаметра трубопровода на больший (диффузора) и узла поворотного колена на 90°. Разработана архитектура компьютерно-информационной системы (КИС) моделирования течений в узлах сложного трубопровода, которая позволяет выполнять компьютерное моделирование нестационарных

гидродинамических течений в различных узлах сложного трубопровода с визуализацией течений на основе компьютерной анимации. Практическая значимость диссертации состоит в следующем: Разработано программно-информационное обеспечение компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных гидродинамических процессов* в сложных технологических трубопроводах (операционная система MS WINDOWS-95, язык программирования Visual С++ 5.0). Разработанная КИС позволяет проводить компьютерное моделирование распределения полей температуры и давления в потоках сжимаемых газов через сложные трубопроводы, исследовать нестационарные течения и переходные процессы формирования стационарных течений.

»

Показано п�