автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей в каналах изменяющейся геометрии и запорной арматуре

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Реологические модели. Моделирование гидродинамики и теплообмена при внутренних течениях в каналах и трубах.

1.2. Численное решение уравнений импульса и энергии.

1.3. Выводы и задачи исследований.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ТЕЧЕНИИ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ

2.1. Система уравнений движения несжимаемой сплошной среды с учетом теплообмена для цилиндрических и декартовых координат.

2.2. Численный метод решения системы уравнений гидродинамики и теплопереноса.

2.3. Моделирование гидродинамики в узлах уплотнений запорной арматуры.

2.4. Разностный метод расчета гидродинамики и теплопереноса при течении вязкоупругой жидкости в канале.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ВНУТРЕННИХ ТЕЧЕНИЯХ В КАНАЛАХ ТРУБОПРОВОДОВ ПОДАЧИ 3.1. Влияние неньютоновских свойств среды на распределение гидродинамических параметров.

3.2. Расчет плоского канала при повороте потока на 90°.

3.3. Моделирование турбулентности.

3.4. Моделирование сопряженного течения в круглой трубе с учетом переменных реологических свойств.

4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НЕФТЯНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

4.1. Много дисциплинарный подход при оценке прочности, долговечности, ресурса ЭКНО.

4.2. Термохимические проблемы при течении нефти и газа в ЭКНО. Наличие сероводородной среды.

4.3. Расчет запорной арматуры с учетом влияния температурного состояния сероводородной среды.

4.3.1. К вопросу о критериях разрушения.

4.3.2. НДС и конечно-элементные расчеты шиберной задвижки.

4.4. Оценка влияния сероводорода на прочность и долговечность элементов конструкций.

Актуальность темы. Стратегия развития нефтяной промышленности России в число одной из приоритетных задач отрасли включает техническое переоснащение с применением высокоэффективного оборудования, характеризующегося высокой эксплуатационной надежностью, экономичностью и безопасностью, обладающего повышенным ресурсом и долговечностью.

Важнейшей проблемой проектирования запорной и регулирующей арматуры устьевого оборудования и транспортных трубопроводов, тесно связанной с системным подходом, является многодисциплинарность рассматриваемых задач, которые требуют комплексного решения в различных научных дисциплинах: гидродинамике, теплопередаче, прочности, материаловедении и др. Очевидно, что недостаточное развитие математического аппарата не позволяет исследовать очень широкий класс жидкостей, проявляющих аномальные реологические свойства, и решать практически важные задачи совершенствования конструкций и повышения прочности и надежности запорной арматуры.

Современный уровень развития численных методов и наличие мощных ЭВМ определили широкое распространение для моделирования гидродинамики и теплопереноса математических моделей, основанных на численном решении уравнений Навье-Стокса и энергии. Однако практически отсутствуют рекомендации по расчетным методам моделирования течения и теплообмена неньютоновских жидкостей с учетом их переменных теплофизических свойств. С вычислительной точки зрения ламинарное течение с нелинейной зависимостью коэффициента вязкости эквивалентно моделированию турбулентного течения, но в отличие от теории турбулентности, где разработаны десятки алгебраических и дифференциальных моделей, для неньютоновских жидкостей методы расчета эффективных коэффициентов молекулярного обмена для использования в численных алгоритмах решения уравнений движения и теплообмена развиты недостаточно.

Создание эффективных численных расчетных методик для моделирования сопряженных гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей в трубопроводах и запорной арматуре требует решения ряда вопросов алгоритмического и программного обеспечения инженерно-конструкторской деятельности для повышения эффективности расчетно-теоретических методов исследования и решения поставленных задач.

Таким образом, проблемы моделирования гидродинамических и теплофизических процессов в элементах конструкций нефтяного оборудования (ЭКНО) представляют как теоретический интерес (моделирование неньютоновских жидкостей), так и практический для повышения работоспособности ЭКНО.

Работа выполнена в рамках основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами», в соответствии с «Перечнем приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром» на 2002-2006 гг», утвержденным председателем Правления ОАО «Газпром» (АМ-2121 от 15.04.02 г.)

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является моделирование гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей в каналах изменяющейся геометрии и запорной арматуре. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Анализ методов моделирования и численных алгоритмов расчета гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей.

2. Разработка математической модели сопряженных гидродинамики и теплопереноса для степенной и вязкоупругой неньютоновских жидкостей в каналах изменяющейся геометрии и направления течения.

3. Разработка программно-алгоритмических средств для обеспечения устойчивого расчета и уменьшения вычислительной погрешности.

4. Реализация численного эксперимента по анализу работоспособности запорной и регулирующей арматуры в условиях рабочего диапазона параметров среды с учетом влияния сероводорода на пластичность материалов.

Научная новизна.

1. Создана математическая модель ламинарных неизотермических течений, отличающаяся неньютоновским характером степенных жидкостей, позволяющая анализировать процессы гидродинамики и теплопереноса в каналах изменяющейся геометрии и запорной арматуре.

2. Разработан алгоритм расчета гидродинамики, отличающийся введением расчетных узлов, факторизованных по граничным условиям, и обеспечивающих расчет параметров степенных и вязкоупругих жидкостей.

3. Получены устойчивые численные решения для гидродинамических параметров, учитывающие турбулентные флуктуации в потоке и обеспечивающие расширение области применения на каналы с изменяющейся геометрией.

4. Разработан численный метод получения градиента температур неньютоновской жидкости во внутренних течениях изменяющейся геометрии для обеспечения возможности прогнозирования работоспособности запорной арматуры в условиях контакта с H2S средой.

Практическая значимость и реализация результатов.

Разработанные математические модели, методы, алгоритмы, программное обеспечение прошли экспериментальную проверку и используются при проектировании запорной арматуры нефтегазового оборудования.

Запатентованные конструкции внедрены в промышленную эксплуатацию. Изделия, проектируемые по разработанным моделям, изготавливаются ФГУП КБХА для ОАО «Газпром».

Основные результаты диссертационного исследования используются в практике ФГУП КБ химавтоматики (г. Воронеж), а также в учебном процессе кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ВГТУ.

Методы исследований основаны на теории математического моделирования, численных методах в динамике жидкостей, гидродинамике и теплопереносе неньютоновских жидкостей, теории прочности.

Апробация работы.

Материалы и результаты, выполненные по теме диссертации, докладывались на 3 национальной конференции по теплообмену РНКТ-3 (Москва, 2002), семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования» (Москва, 2000), региональном межвузовском семинаре «Процессы теплообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 1999-2002), международной электронной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2002-2003).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 7 научных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [1] -лагранжево-эйлерова численная методика расчета нестационарных течений, в [2,3]- математическая модель и численный алгоритм решения уравнений импульса и энергии для степенной и вязкоупругой неньютоновской среды; в патентах [6-7] - геометрии запорного элемента и проточной части.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 136 страницах, содержит 38 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 83 наименований.

Основные результаты выполненных исследований отражены в следующих публикациях:

1. Ю.А.Булыгин, В.Д.Гриценко Вопросы моделирования тепломассопереноса для внутренних гетерогенных течений неньютоновской жидкости // Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем в машиностроении и аэрокосмической технике: Сб. науч. Трудов. Воронеж, 2001г. С.33-36

2. В.В.Фалеев, Ю.А.Булыгин, В.Д.Гриценко, А.В.Кретинин Учет эффектов вязкоу пру гости в пристеночной области потоков нефтяных магистралей // Труды РНКТ-3. Т.2 Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: Изд-во МЭИ, 2002. С. 285-288

3. Ю.А.Булыгин, В.Д.Гриценко, А.А.Гуртовой Моделирование гидродинамики и теплообмена при течении неньютоновской жидкости в элементах конструкций нефтяного оборудования// Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий./ Материалы международной конференции и Российской научной школы. Часть 7 (Раздел 1).- М.: Радио и связь, 2002. С. 125-128

4. В.Д.Гриценко Численное моделирование гидродинамики и теплообмена внутренних течений для прогнозирования работоспособности элементов конструкций запорной арматуры // Вестник ВГТУ, Сер. Энергетика. -Воронеж, ВГТУ, 2002. С. 72-79

5. В.Д.Гриценко О математическом моделировании гидродинамики и теплообмена неньютоновских жидкостей // Современные проблемы информатизации в технике и технологиях. Сб. науч. трудов. Воронеж, 2003. С. 36-37

Патенты:

6. Патент 2105217 RU. Запорно-дренажный вентиль / Гриценко В.Д., Степанов А.С., Покрасов Ю.К. (РФ).; Заявлено 14.04.95; Опубл. 20.02.98. Бюл. №5

7. Патент 2121618 RU. Регулирующий клапан / Часовских А.И., Биркин В.И., Гриценко В.Д. (РФ).; Заявлено 24.12.96; Опубл. 10.11.98. Бюл. №31

1. Рейнер М. Реология. М., «Мир», 1965.

2. Фройштетер Г. Б. Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах. Киев, «Наукова Думка», 1990.

3. Шульман 3. П. Конвективный тепломассоперенос реологически сложных жидкостей. М., «Энергия», 1975.

4. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. Ш.К. Гиматудинова. -М.: Недра, 1974

5. Седов Л. И. Механика сплошной среды. М., «Наука», 1973.

6. Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости. М., «Мир», 1964.

7. Кутателадзе С. С., Хабахпашева Е. М. Лемберский В. Б., Попов В. И. Некоторые вопросы гидродинамики и теплообмена структурно-вязких сред. М., «Энергия», 1968.

8. Губин В. Е., Левин В. С. Течение неньютоновской жидкости в начальном участке круглой трубы.// Тр. ВНИИ по сбору, подготовке и транспортировке нефти и нефтепродуктов. Уфа, 1976, Вып. 16.

9. Баранов А. «Северные территории» самый подготовленный проект.//Нефть России,-1999.-№9.-68-71

10. Ю.Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и вещества. М., «Энергия», 1965.

11. П.Регирер С. А. Некоторые термогидродинамические задачи об установившемся одномерном течении вязкой капельной жидкости.// ПММ, 1957, №3

12. Технология и техника добычи нефти и газа. М.: Недра, 1971

13. Габузов Г. Г. О структурном и переходном течении вязко-пластичной жидкости.// Нефт. Хоз-во., 1977, №12.

14. Трилиский К. К., Фройштетер Г. Б., Ступак П. М. и др. Исследование теплопроводности пластичных смазок при сдвиговом течении. Нефтепереработка и нефтехимия, Киев, «Наумова Думка», 1981.

15. Доманский И. В., Консетов В. В., Линя JI. В. и др. Экспериментальное исследование теплообмена при ламинарном течении неньютоновских жидкостей в трубах.// ИФЖ, 1972, №3.

16. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. М.: Недра, 1979

17. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., «Наука», 1974.

18. Смольский Б. М., Шульман 3. П., Гориславец В. М. Реодинамика и теплообмен нелинейно-вязкопластичных материалов. Минск, «Наука и техника», 1970.

19. Гидравлические и пневматические безбалансирные приводы штанговой глубинонасосной установки в СССР и за рубежом: Обзорная информация // ЦИНТИхимнефтемаш. Сер.ХМ-3. М., 1972

20. Петухов Б. С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М., «Энергия», 1967.

21. Попов В. И. Учет влияния неизотермичности на теплоотдачу в каналах при ламинарном движении жидкостей с линейным законом текучести.// ПМТФ, 1975, №1.

22. Мительман Б. И., Розенберг Г. Д. К вопросу о структурном режиме течения вязкопластичной жидкости по трубам.// Тр. ВНИИБТ, 1965, Вып. 15.

23. Содержание воды // Neftegaz RU Наука, НТЦ «Новатор», 2001. -http://www.neftegaz.ru

24. Бендерская С. Л., Хусид Б. М., Шульман 3. П. Неизотермическое течение неньютоновских жидкостей в канале.// Изв. АН СССР : Механика жидкости и газа, 1980, №3.

25. Мамедов Р. М., Расинзаде Я. М., Нагиев Т. М. О выборе реологической модели при решении задач конвективного теплообмена// Сб. науч. тр. Всесоюз. нефтегаз. НИИ, 1978, №66.

26. Новое в развитии техники и технологии механизированных способов добычи нефти: Обзоры зарубежной литературы // ВНИИОЭНГ. -М.,1974

27. Насонкин Ж. А., Лукач Ю. Е. К вопросу обобщения закономерностей неньютоновского течения, описываемого различными реологическими уравнениями.// Хим. машиностроение, Киев, «Наукова Думка», 1970, Вып. 11.

28. Шифанов А. В. Течение и теплообмен неньютоновской жидкости с переменными реологическими характеристиками на термическом начальном участке круглой трубы.//Матер. 3 науч. конф. Томск, ун-та по мат. и мех. Томск: Томск, ун-т, 1973, Вып. 2

29. Шульман 3. П. Реологический фактор в процессе переноса.// Тепло-массообмен-5, Минск, 1977.

30. Молчанов А.Г. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. М.: Недра, 1982. - 245 с.

31. Рядно А. А., Ракита Ю. М., Стационарная сопряженная задача теплообмена при течении Куэтта в круглой трубе.// Пром. теплотехника, 1980, №3

32. Тябин Н. В., Дахин О. X., Герасименко В. А. и др. Теплообмен при неизотермическом течении в круглых каналах реологически сложных сред.// Машины и аппараты хим. технологии, 1977, №5.

33. Фройштетер Г. Б., Смородинский Э. J1. Теплообмен при ламинарном течении пластичных смазок в круглых трубах.// Нефтепереработка и нефтехимия, Киев, «Наукова Думка», 1971.

34. Жданов Ю. А., Дубовицкий В. Ф. Исследование профиля скоростей при течении расплава полиэтилена в цилиндрических каналах.// Химическое машиностроение, Киев, «Техника», 1968, Вып. 4.

35. Литвинов В. Г. Движение нелинейно-вязкой жидкости. М., «Наука», 1982

36. Мельников Н.В. Топливно-энергетические ресурсы СССР. М.: Наука, 1970

37. Лыков А. В. Сопряженные задачи конвективного теплообмена.// Проблемы тепло- и массопереноса, Минск, «Наука и техника», 1976.

38. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М., «Атомиздат», 1979.

39. Казаков Г. М. Метод решения сопряженных задач теплообмена при движении жидкости в трубах.// Теплофиз. высок, темпер., 1981, №4.

40. Фракционный состав // Neftegaz RU Наука, НТЦ «Новатор», 2001. -http://www.neftegaz.ru

41. Галин Н. М. Теплоотдача к ламинарному потоку в трубах при произвольном изменении теплового потока по длине и по периметру трубы.// Тр. Моск. энерг. ин-та, 1977, №336.

42. Тонкошкуров Т. А., Шутов А. А., Мироненко Н. Я. и др. Гидравлические параметры неизотермических трубопроводов при перекачке неньютоновских нефтей.// Тр. ВНИИ по сбору, подготовке и транспортировке нефти и нефтепродуктов. Уфа, 1978, Вып. 18.

43. Тябин Н. В., Дахин О. X., Баранов А. В. Влияние температуры и давления на течение реологически сложных сред в плоском канале.// Теплофизика высоких температур, 1982, №1.

44. Овсянников А. И. Распределение скоростей в поперечном сечении цилиндрической трубы при движении неньютоновских жидкостей.// Хим. машиностроение, Киев, 1969, Вып.4.

45. Бык С.Ш. Газовые гидраты / С.Ш. Бык, Ю.Ф. Макогон, В.И. Фомина. М.: Химия, 1980. - 296 с.

46. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости : Пер. с англ. М., «Энергоатомиздат», 1984.

47. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости: В 2-х томах.-М., «Мир», 1991.

48. Белов И. А., Исаев С. А., Коробков В. А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Д., «Судостроение», 1989.

49. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М., «Наука», 1977.

50. Кутлер П. Перспективы развития теоретической и прикладной вычислительной аэродинамики : Пер. с англ.// Аэрокосм, техника, 1985, т.З, №8.

51. Содержание парафина // Neftegaz RU Наука, НТЦ «Новатор», 2001. -http://www.neftegaz.ru

52. Белоцерковский О. М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М., «Наука», 1978.

53. Калиткин Н. Н. Численные методы. М., «Наука», 1978.

54. Баталии О.Ю. Совершенствование методов расчета условий гидратообразования / О.Ю. Баталин, М.Ю. Захаров. М.: Изд-во ВНИИЭГАЗпрома, 1988.

55. Численные методы в динамике жидкостей/ Под ред. Г. Вирца, Ж. Смодерена: Пер. с англ. М., «Мир», 1981.

56. Численные методы исследования течений вязкой жидкости: Пер. с англ./ А. Д. Госмен, В. М. Пан, А. К. Ранчел и др. М., «Мир», 1972.

57. Томпсон Дж. Ф. Методы расчета сеток в вычислительной аэродинамике: Пер. с англ.// Аэрокосм, техника, 1985, т.З, №8.

58. Самарский А. А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М., «Наука», 1978.

59. Численное решение многомерных задач газовой динамики/Под ред. С. К. Годунова, М., «Наука», 1974.

60. Гульянц Г.М. Противовыбросовое оборудование скважин, стойкое к сероводороду. Справочное пособие М., Недра, 1991.

61. Шенг Дж. С. Обзор численных методов решения уравнений Навье-Стокса для течений сжимаемого газа: Пер. с англ.// Аэрокосм, техника, 1986, т. 4, №2.

62. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массопереноса. М., «Наука», 1986.

63. Содержание механических примесей // Neftegaz RU Наука, НТЦ «Новатор», 2001. http://www.neftegaz.ru

64. Махвиладзе Г. М., Щербак С. Б. Численный метод исследования нестационарных пространственных движений сжимаемого газа// Инж.-физ. журн., 1980, т.38, №3.

65. Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. Справочник. М. Машиностроение, 1988.

66. Методы расчета турбулентных течений: Пер. с англ./Под ред. В. Колльмана, М., «Мир». 1984.

67. Ковеня В. М., Яненко Н. Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Новосибирск, «Наука», 1981.

68. Белов И. А. Численное моделирование сложных вихревых течений вязкой жидкости// Инж.-физ. журн., 1986, т.51, №3.

69. Моделирование отрывных течений на ЭВМ/ О. М. Белоцерковский, С. М. Белоцерковский, Ю. М. Давыдов и др. М., АН СССР, Науч. совет по комплексной проблеме «Кибернетика», 1984.

70. Симуни JI. М. Численное решение некоторых задач движения вязкой жидкости.// Инж. журн., 1964, т.4, вып.З.

71. Чжен П. Отрывные течения : В 3-х томах/Пер. с англ., М., «Мир», 1972-1973, т.1-3.

72. Наличие хлористых и других минеральных солей // Neftegaz RU Наука, НТЦ «Новатор», 2001.

73. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. Машиностроение, 1981.

74. Самарский А. А. Теория разностных схем. М., «Наука», 1978.

75. Шевелев Ю. Д. Пространственные задачи вычислительной аэрогидродинамики. М., «Наука», 1986.

76. Шокин Ю. И., Яненеко Н. Н. Метод дифференциального приближения. Применение к газовой динамике. Новосибирск, «Наука», 1985.

77. Седов JI. И. Механика сплошной среды. М., «Наука», 1973.

78. Патент 2105217 RU. Запорно-дренажный вентиль / Гриценко В.Д., Степанов А.С., Покрасов Ю.К. (РФ).; Заявлено 14.04.95; Опубл. 20.02.98. Бюл. №5

79. Патент 2121618 RU. Регулирующий клапан / Часовских А.И., Биркин В.И., Гриценко В.Д. (РФ).; Заявлено 24.12.96; Опубл. 10.11.98. Бюл. №31

80. Патент 2131509 RU. Устройство для герметизации устья скважины / Егоров В.А., Шаманов С.А., Павленко П.П., Кузнецов В.В., Гриценко В.Д. (РФ).; Заявлено 03.06.97; Опубл. 10.06.99. Бюл. №16