автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Отрывные течения газовзвеси в каналах сложной формы

Введение.

Глава 1. Методы определения параметров газовзвеси.

1.1. Основные модели и уравнения динамики многофазных смесей.

1.2. Моделирование турбулентных течений газовой фазы.

1.3. Уравнение движения примесных частиц.

1.4. Исследования течений газовзвесей.

1.5. Выводы и конкретные задачи, решаемые в данной работе.

Глава 2. Исследование течений газовзвеси в радиальном канале.

2.1. Постановка задачи, расчетная система уравнений, граничные условия.

2.2. Анализ силовых факторов, действующих на примесные частицы.

2.3. Результаты расчетно-теоретического исследования течения газовзвеси в радиальном канале.

2.4. Прогнозирование осаждения конденсированной фазы на стенках канала.

2.5. Выводы (по главе 2).

Глава 3. Отрывные течения газовзвеси в каналах сложной формы.

3.1. Особенности постановки задачи, расчетные системы уравнений потока газовзвеси и граничные условия.

3.2. Особенности движения примесных частиц в зонах локального отрыва.

3.3. Исследование течения газовзвеси в канале с поворотом потока

3.4. Исследования осаждения примесных частиц на стенках канала при наличии отрывных зон.

3.5. Течение газовзвеси в измерительных устройствах.

3.6. Выводы (по главе 3).

Актуальность темы. Необходимость проведения исследований по проблемам образования загрязняющих отложений при эксплуатации технологических систем с углеводородными (УВ) средами (т.н. "фоулингирование") связано с широким распространением этих явлений при добыче, транспорте и переработке нефтегазового сырья. Интенсивное фоулингирование рабочих трактов технологических линий, в частности, газодинамического тракта центробежных компрессоров (ЦБК) газлифтных станций приводит к резкому снижению эксплуатационных показателей оборудования перекачки УВ-сырья, а также дестабилизирует рабочий режим всего газлифтного комплекса.

Экспериментальное исследование процесса движения газа и примесных частиц в рабочих трактах агрегатов, находящихся в промышленной эксплуатации, практически невозможно по техническим причинам Затруднено также и обеспечение реальных температур, давлений и состава газа в стендовых условиях. Поэтому развитие методов математического моделирования и численного анализа течения газа с твердыми и жидкими примесями в элементах рабочих трактов при реальных параметрах потока является актуальной проблемой.

Цель работы: математическое моделирование процессов движения трехфазной газовзвеси (УВ-газ, капли УВ-жидкости, твердые примесные частицы) в каналах технологического оборудования; создание комплекса программ для исследования траекторий движения примесных частиц; получение прогнозных оценок загрязнения рабочих поверхностей технологического оборудования перекачки УВ-сырья.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

• показана возможность численного моделирования отрывных течений газа с твердыми и жидкими примесями в элементах рабочих трактов при реальных параметрах потоков;

• разработана математическая модель движения рабочего тела, представляющего собой трехфазную газовзвесь, на рабочих участках центробежного компрессора и в измерительных устройствах;

• создана методика расчета отрывного течения газовзвеси и соответствующий комплекс компьютерных программ;

• выявлены основные закономерности движения примесных частиц малой концентрации в выходных участках проточной части центробежного компрессора;

• на основе предложенной методики расчета движения примесных частиц выполнено расчетное исследование и получены прогнозные оценки динамики фоулингирования, направленные на повышение эксплуатационной надежности оборудования.

Практическая ценность выполненной работы состоит в создании методики расчета и комплекса программ, позволяющих проводить численные исследования, необходимые для определения закономерностей движения и осаждения примесных частиц в потоке УВ-газа через различные участки газлифтного и другого технологического оборудования.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались: на семинарах в Институте Механики многофазных систем под руководством акад. Р.И. Нигматулина (Тюмень, 1991-1993 г.), на международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень 1996), на международной выставке и семинаре (Ганновер 1997), на совместном заседании кафедры механики многофазных систем, кафедры математического анализа и прикладной математики и кафедры программного обеспечения (Тюмень 1999). По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы.

3.6. Выводы к главе III

2. Установлено наличие стационарных орбит, вблизи которых происходит накопление частиц малого диаметра.

3. Показано, что преобладающее влияние на движение частиц оказывают силы аэродинамического сопротивления и Саффмена, абсолютная величина которых на 2-3 порядка превышает величину других массовых сил.

4. Найдены зависимости коэффициентов сепарации примесных жидких и твердых частиц от их размеров на различных участках переходных патрубков.

5. Разработана методика расчета величины зависимости локальной концентрации примесных частиц от из размера при движении газовзвеси через каналы с диафрагмой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве основных результатов, полученных в представленной диссертационной работе, можно выделить следующие:

I. Разработана математическая модель, методика расчета и компьютерная программа отрывного и безотрывного течения газовзвеси с примесными твердыми и жидкими частицами, основанная на системе уравнений турбулентного движения несущей фазы и уравнений движений примесных частиц.

II. Выполненное расчетно-теоретическое исследование течения газовзвеси в узком радиальном канале с параллельными стенками показало, что под действием силы Саффмена происходит интенсивная сепарация частиц, что может служить причиной роста отложений на стенках и неустойчивых режимов работы оборудования.

III. На основе разработанной методики выполнено расчетно-теоретическое исследование отрывного течения газовзвеси на участке поворота потока от радиального направления к осевому. Установлено, что часть частиц примесной фазы выходит на стационарные орбиты. Расчетным путем оценены доли частиц, попадающих в отрывную зону и сепарирующихся на стенки расчетной области.

IV. Проведено параметрическое исследование влияния размера и плотности частиц, а также параметров потока во входном сечении канала на поля скоростей газа, твердых частиц и частиц УВ-жидкости, а также на поля угловых скоростей вращения примесных частиц.

V. Разработан программный модуль, предназначенный для использования в интеллектуальных приборах измерительновычислительных систем, позволяющий расчетным путем определить поля концентраций примесных частиц в измерительных устройствах с диафрагмой. Выявлена существенная неравномерность поля скоростей примесных частиц в сечениях за диафрагмой.

1. Абдурашитов С.А., Тупиченков A.A., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. 296с.

2. Андерсон Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т. 1. М.: Мир, 1990. 384 с.

3. Бабуха Г.Л., Шрайбер A.A. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Наукова думка, 1972. 176 с.

4. Барановский С.И. Особенности высокоскоростных двухфазных газожидкостных струй // Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента. Таллин, 1985. С. 60-65.

5. Бекнев B.C., Леонтьев А.И., Шабаров А.Б. и др. Механика жидкости и газа. М.: Изд-во МГТУ, 1997. 671 с.

6. Белов С.Ю., Рундыгин Ю.А., Усик Б.В. Расчет характеристик инерционного движения частиц при поперечном обтекании цилиндра газовзвесью // ИФЖ. 1982. 43, №3. С. 499-500.

7. Боттерилл Дж. Теплообмен в псевдоожиженном слое. М., 1980.344 с.

8. Брэдшоу П., Себиси Т., Фернгольц Г.-Г. и др. Турбулентность. М.: Машиностроение, 1980, 344 с.

9. Буевич Ю. А. О взаимодействии коллектива частиц с пульсирующей жидкостью при малых числах Рейнольдса. // Изв. АН СССР. Мех. жидк. и газа, 1971, № 5. С. 104-113.

10. Буевич Ю. А., Марков В. Г. Реология концентрированных смесей жидкости с мелкими частицами. Параметры межфазного взаимодействия. // Прикл. мат. и мех., 1972, т. 36, вып. 3. С. 480-493.

11. Буевич Ю.А. О сопротивлении движению частицы, взвешенной в турбулизированной среде // Изв. АН СССР. Сер МЖГ. 1966. № 6. С. 182-183.

12. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975. 378 с.

13. Вакулин A.A., Шабаров А.Б. Диагностика теплофизических параметров в нефтегазовых технологиях. Новосибирск: Наука, 1998. 249 с.

14. Глушко Г.С. Турбулентный пограничный слой на плоской пластине в несжимаемой жидкости // Изв. АН СССР. Сер. Механика. 1965, №4. С. 271-306.

15. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. Введение в теорию. М.: Наука, 1977. 439 с.

16. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. 424 с.

17. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е. Физическая модель и математическое описание процесса движения мелких частиц в турбулентном потоке газовзвеси//ТВТ. 1977. 15, №2. С. 399-408.

18. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е., Загайнова Р.В. Влияние основных силовых факторов на поперечную скорость мелких частиц, движущихся в турбулентном потоке газа // ИФЖ. 1976. 30, №4. С. 657-664.

19. Губайдуллин A.A., Ивандаев А.И., Нигматулин Р.И. Модифицированный метод крупных частиц для расчета нестационарных волновых процессов в многофазных дисперсных средах // ЖВМ и МФ, 1977. Т.17. №6. С. 1531-1544.

20. Дал Б., Харлоя Ф. Учет турбулентных эффектов при численном решении газодинамических задач // Численные методы механики жидкости. М.: Мир, 1973,с.277-287.

21. Дерягин Б.В., Баканов С.П. Теория термофореза больших твердых аэрозольных частиц//Докл. АН СССР. 1962. 147, №1. С. 139-142.

22. Дональдсон К. Расчет турбулентных течений в атмосфере и изолированном вихре // Ракетная техн. и космон., 1972, №1, с.4.

23. Дорфман JI.А. Численные методы в газодинамике турбомашин. Л.: Энергия, 1974. 272 с.

24. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г. Некоторые закономерности эволюции плоских и сферических ударных волн в газовзвесях. // ТВТ, 1985, т.23, №3. С. 508-512.

25. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г., Нигматулин Р.И. Газовая динамика многофазных сред. Ударные и детонационные волны в газовзвесях // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ, 1981. Т.16. С. 209-287.

26. Ивандаев А.И., Фролов И.И., Шведов В.Д. Исследование явления загрязнения технологического оборудования добычи УВ-сырья // Сб. науч. тр. Проблемы освоения и развития Зап.- Сиб. нефтегазодобывающего комплекса. Тюмень, 1989. С.70-77.

27. Кащеев В.М., Муранов Ю.В. К вопросу о влиянии пульсационных сил Магнуса и ускорения на движение частиц в турбулентном потоке газа // ТВТ, 1975, т.13, №5. С. 1015-1022.

28. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л.: Машиностроение, 1972.536 с.

29. Кокс Р., Мейсон С. Течение жидкостей по трубам при наличии взвешенных частиц // Реология суспензий. М.: Мир, 1975. С. 104-139.

30. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика: в 2-х т. М.: Физматгиз, 1963, 4.1 584 е., ч.2 - 728 с.

31. Кравцов Г. М. Кинетический подход к изучению явлений в газах со взвешенными твердыми частицами. Автореф. канд. дисс. Л., 1978. 12 с.

32. Кроу С Численные модели течений газа с небольшим содержанием частиц // Теоретические основы инженерных расчетов. 1982. 104, №3. С. 114-122.

33. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976, 296 с.

34. Кутушев А.Г., Родионов С.П. Распределение ударных волн в полидисперсных газовзвесях. // ПМТФ, 1993, №.2. С. 24-31.

35. Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Математическое моделирование динамического нагружения слоя пористой порошкообразной среды сжатым газом. // Математическое моделирование, 1991, т.З, №11. С. 65-75.

36. Кутушев А.Г., Татосов A.B. Влияние объемного содержания частиц на параметры газовзвеси за скачками уплотнения. ФГВ, 1999, т.35, №3. С. 7480.

37. Ландау JLJL, Лившиц Е.М. Теоретическая физика: в 10-ти т. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 736 с.

38. Лаундер Б.Е. Модели замыкания для напряжений третье поколение // Турбулентные сдвиговые течения 1. М.: Машиностроение, 1982, с.270-279.

39. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 464с.

40. Мак-Элигот Д.М. и др. Квазиразвитое турбулениное течение в трубе при наличии теплообмена // Тр. Амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1970, №4, с.67.

41. Малин О.В., Спокойный Ф.Е. О применимости приближенных моделей при расчете пристенной области в запыленных потоках // ИФЖ -1983. 44, №1. С. 28-35.

42. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1981. 175 с.

43. Милн-Томсон Л.М. Теоретическая гидродинамика М.: Мир, 1964.655 с.

44. Наумов В.А. Влияние подъемной силы Саффмена на движение частиц в слое Куэтта // ИФЖ. 1995. Т. 68. № 5. С. 840-844.

45. Наумов В.А. Динамика твердой частицы во вращающейся жидкости // Теоретические основы химической технологии. 1997. Т. 31. № 6. С. 569-573.

46. Наумов В.А., Соломенко А.Д., Яценко В.П. Влияние силы Магнуса на движение сферического тела при большой угловой скорости // ИФЖ. 1993. Т. 65. N° 3. С. 287-290.

47. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. М.: Наука, 1987.464 с.

48. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.

49. Одар Ф. Нестационарное движение сферы по круговой траектории в вязкой жидкости // Прикл. механика. 1968. 35, №4. С. 30-32.

50. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов J1.A. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1983. 288с.

51. Пасконов В.М., Чудов JI.A. Разностные методы расчета течений в пограничном слое. Обзор // Вычислительные методы и программирование. М.: Изд-во МГУ, 1968. С. 55-74.

52. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 150 с.

53. Патанкар С., Сполдинг Д. Тепло- и массообмен в пограничных слоях. М.: Энергия, 1971. 127 с.

54. Плетчер Р. Расчет несжимаемого отрывного течения. Тр. Амер. о-ва инж.-мех., сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов, 1978. №4. С.139-146.

55. Плетчер Р., Дэнси К. Прямой метод расчета областей отрыва в пограничном слое // Тр. Амер. о-ва инж.-мех., сер. D, Теоретические основы инженерных расчетов, 1976, №3, с.347.

56. Протодьяконов И. О., Глинский В. А. Экспериментальные методы исследований гидродинамики двухфазных систем в инженерной химии. Д., 1982. 195 с.

57. Протодьяконов И. О., Чесноков Ю. Г. Гидродинамика псевдоожи-женного слоя. JL, 1982. 264 с.

58. Протодьяконов И.О., Цибаров В.А., Чесноков Ю.Г. Кинетическая теория газовзвесей. Д.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1985. 200 с.

59. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.

60. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989.432 с.

61. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. М.: Наука, 1975. 351 с.

62. Саффмен П., Уилкокс Д. Модель турбулентности для расчета турбулентного пограничного слоя // Ракетная техн. и космон., 1974, №4, с.160.

63. Себеси Т. Ламинарный и турбулентный пограничные слои при осесимметричном обтекании тонких тел вращения потоком несжимаемой жидкости // Тр. Амер. о-ва инж.-мех. Теоретические основы инженерных расчетов. 1970, №3. С. 140-148.

64. Седов Л.И. Механика сплошной среды: : в 2-х т. М.: Наука, 1984.

65. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 424с.

66. Спокойный Ф.Е., Горбис З.Р. Особенности осаждения тонкодиспергированных частиц из охлажденного газового потока на поперечно-обтекаемой поверхности теплообмена // ТВТ. 1981. 19, №1. С. 182-199.

67. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М. Физматгиз, 1962. 512 с.

68. Стернин JI.E. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974, 212 с.

69. Стернин Л.Е., Маслов Б.Н., Шрайбер A.A., Подвысоцкий A.M. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. М.: Машиностроение, 1980. 171 с.

70. Ступников A.A. Математическое моделирование и расчет течения трехфазной среды в осевой части выходных патрубков центробежных компрессоров // Математическое и информационное моделирование. Тюмень, 1996. С. 3-12.

71. Ступников A.A., Шабаров А.Б. Моделирование движения примесных частиц в потоке нефтяного газа на поворотном участке выходных патрубков центробежных компрессоров // Математическое и информационное моделирование. Тюмень, 1997. С. 61-69.

72. Сухович Е.П. Сравнительный анализ моделей турбулентности // ИФЖ, 2000, т.73, №2. С. 328-339.

73. Федяевский К.К., Гиневский A.C., Колесников A.B. Расчет турбулентного пограничного слоя несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1973.256 с.

74. Фортье А. Механика суспензий. М.: Мир, 1971. 264 с.

75. Фролов И.И. Исследования по проблеме загрязнений в технологическом оборудовании газлифтных комплексов // Итоги исследований ТОММС, №1. Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1990. С. 42-44.

76. Фролов И.И. Явление фоулинга в элементах технологических систем при компримировании нефтяного газа // Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Зап. Сибири. Тюмень, 1989. С. 80-83.

77. Фукс Н.С. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 352 с.

78. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963. 680 с.

79. Численные методы исследования течения вязкой жидкости. М.: Мир, 1972. 323 с.

80. Шабаров А.Б. Математическое моделирование и вариационный метод проектирования проточной части газотурбинных установок. Дисс. . докт. техн. наук. М.: МВТУ, 1987.

81. Шабаров А.Б., Ступников A.A. Многофазные отрывные течения в проточной части энергетических и транспортных систем // Международная научн.-техн. конф. "Нефть и газ Западной Сибири". Тезисы докладов. Тюмень 1996. С. 110.

82. Шабаров А.Б., Ступников A.A. Отрывные осесимметричные течения трехфазной среды в выходных каналах центробежных компрессоров. // Итоги исследований ТИММС, №5. Тюмень, 1994. С. 64-71.

83. Шабаров А.Б., Ступников A.A., Вакулин A.A. Течение двухфазной среды в каналах с диафрагмой // Математическое и информационное моделирование. Тюмень, 2001. С. 49-57.

84. Шабаров А.Б., Ступников A.A., Вакулин A.A., Аристов С.Р. Течение газовзвеси через измерительные устройства // Сб. трудов международной научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях". СПб., 2000. С 143-144.

85. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.

86. Шрайбер A.A., Гавин Л.Б., Наумов В.А., Яценко В.П. Турбулентные течения газовзвеси. Киев: Наукова думка, 1987. 237с.

87. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомпонентных потоков с твердым полидисперсным веществом. Киев: Наукова думка, 1980. 250с.

88. Яламов Ю.И., Щукин Р.Е., Костицина Л.И. О термофоретическом осаждении высокодисперсных аэрозольных частиц из ламинарных газовых потоков в плоских каналах с произвольным поперечным перепадом температуры // ТВТ. 1981. №6. С. 13-27.

89. Adams (Jr) J.С., Hodge В.К. The Calculation of Compressible, Transitional, Turbulent and Relaminarizational Boundary Layers Over Smooth and Rough Surfaces Using an Extended Mixing Length Hypotthesis // AIAA, 1977, Paper 77-682, Albuquerque, New Mexico.

90. Cebeci Т., Smith A.M.O. Analysis of Turbulent Boundary Layers // New York: Academic Press, 1973. 284 p.

91. Christiansen E.B., Barker D.H. The effect of shape and density on the free setting of particles at high Reynolds numbers // AIChE Journal. 1965. 11, N 1. P. 145-151.

92. Daly В., Harlow F. Transport equations of turbulence // Phys. of fluids, 1970, v. 13, No. 11, p. 2634-2649.

93. Harlow F., Nakayama P. Turbulence transport equations // Phys. of fluids, 1967, v. 10, No. 11, p. 2323-2332.

94. Ishii R. Motion of small particles in a gas flow // Phys. Fluids. 1984. 27, N1. P. 33-41.

95. Jones W., Launder B. The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence // Int. J. Heat Mass Trasfer, 1972, v. 15, p301—314.

96. Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation of Turbulent Flows // Comput. Methods Appl. Mech. Engng., 1974, v. 3. p.269-289.

97. Malik M.R., Pletcher R.H. A Study of Some Turbulence Models for Flow and Heat Transfer in Ducts of Annular Cross-Section. J. Heat Transfer, v. 103, p. 146-152.

98. Maxey M.R., Riley J.J. Equation of motion for a small rigid sphere in a nonuniform flow // Ibid. 1983. 26, N 4. P. 883-889.

99. McDonald H., Kreskowsky J.P. Effect of Free Stream Turbulence on the Turbulent Boundary Layer. Int. J. Heat Mass Trasfer, 1974, v. 17. p. 705-716.

100. Nee V., Kovaznai L. Simple phenomenological theory of turbulent shear flows // Phys. of fluids, 1969, v. 12, No. 3, p. 473-484.

101. Neve R.S., Jaafar F.B. The effects of turbulence and surface roughness on the drag of spheres in thin jets // Aeronaut. J. 1982. 83, No 859. P. 331-336.

102. Ng K.H., Spalding D.B. Turbulence Model for Boundary Layers Near Walls // Phys. Fluids, 1972, v. 15, p. 20-30.

103. Reeks M.W., McKee S. The dispersive effects of Basset history forces on particle motion in a turbulent flow // Phys. Fluids. 1984. 27, N 7. P. 1573-1582.

104. Rotta J. Statistische Theory nichthomogener Turbulenz // Zs. Phys., 1951, Bd.129, Nr. 5, s. 177-183.

105. Rubensin M.W. Numerical Turbulence Modelling. AGARD Lecture Series, 1977, No.86 on Computional Fluid Dynamics, p.3-1-3-37.

106. Rubinow S.I., Keller J.B. The transverse force on a spinning sphere moving m viscous fluid // J. Fluid Mech. 1961. 11, N 3. P. 447-459.

107. Saffman P.G. The lift on a small sphere in a slow ShearFlow // J. Fluid Mech. 1965, v. 22, N2. P.385-400. Corrigendum: - J. Fluid Mech. 1968, v. 31, N3, - P.624.

108. WilCox D C., Traci R.M. A Complete Model of Turbulence // AIAA, 1976, Paper 76-351, San Diego, California.