Исследование структуры турбулентного потока природного сырья в трубопроводах с секцией переменного по длине поперечного сечения конфузорно-диффузорного типа

Abstract

Актуальность работы вызвана необходимостью: понимания механизмов перестройки гидро-динамических, тепловых и диффузионных процессов, сопровождающих течение углеводородных вязких сред; уяснения характера их взаимодействия в ограниченных внутренних областях под действием комплексных эффектов, сопровождающих течение в сложных трубопроводах; выработки эффективных решений по оптимальному управлению транспорта природного сырья и повышения надежности функционирования энерго-напряженных узлов трубопроводов. Объектом исследования являются пристеночные потоки капельных и газообразных углеводородных сред в конструктивных элементах внутренних систем, часто встречаемых в инженерных приложениях, в частности, нефтегазовой, химико-технологической и тепло-энергетической отраслях промышленности. Такие элементы представляют собой участки коротких или протяженных трубопроводов с криволинейной поверхностью стенки в форме, подобной соединительным узлам или секциям переменного по длине поперечного сечения конфузорно-диффузорного типа. Причем течения в них осложнены эффектами влияния кривизны линий тока, пространственной деформацией, изменениями динамической структуры и давления. Цель: уяснение неопределенностей, особенностей и закономерностей течений, а также возможности применения современных моделей турбулентности к прогнозу процессов в трубопроводах с секциями конфузорно-диффузорного типа; детальное исследование изменений "тонкой" структуры сложного сдвигового течения; выдача рекомендаций в практику расчета пристеночных потоков в указанных гидро-динамических конфигураций и интенсивных режимах работы оборудования. Методы: теоретические и практические методы математического моделирования и численного исследования пространственных турбулентных течений, особенностей изменений их пульсационной структуры по схемам (моделям) с большим числом уравнений - RANS-модели турбулентности, включающие опорную динамическую двух-параметрическую базу. Выбор последней зависит от представлений: с какой степенью она способна воспроизвести статистические корреляции либо параметры сложного движения, локальные свойства (интегральный масштаб, кинетическую энергию, скорость ее диссипации и т. д.) вихря; учитывает ли неоднородный и анизотропный характер изменений структуры потока из-за деформационных эффектов, возбуждаемых переменным давлением и градиентами рейнольдсовых напряжений. Результаты. Проанализированы особенности турбулентных течений углеводородных вязких сред в трубопроводах, включающих соединительные элементы конфузорно-диффузорного типа. Изучены возможности популярных в расчетах сложных сдвиговых течений вязких сред в трубопроводах с криволинейной границей стенки многопараметрические статистические модели турбулентности второго порядка, реализуемые в высоко- и низко-рейнольсовых версиях. Обнаружено, что лучшее описание интенсивности течений и размеров рециркуляционных зон в трубопроводах дают k-kl[omega]/kL- и RSM-kL-модели, как более консервативные и устойчивые к возмущениям, идущим со стенок трубопровода. Поэтому включение их в опорную базу для RSM-модели вполне целесообразно. Расчетами выявлено существование второй зоны отрывного течения. Показано, что наибольшие изменения турбулентной кинетической энергии турбулентности, нормальных компонент тензора напряжений Рейнольдса локализованы в зоне взаимодействия сдвигового слоя с возвратным и прямоточным оторвавшимся течением, а генерация - вблизи точки отрыва. Соответствие расчетов структуры подобных течений данным других авторов позволяет утверждать, что понимание процессов, прогноз интенсивности динамических нагрузок в локальных зонах присоединения потока к стенкам по представленным моделям не приведет к аварийности функционирования оборудования и обеспечит оптимальное управление транспортировкой сырья по трубопроводам.

The relevance of the research is caused by the need to understand the mechanisms of restructuring hydrodynamic, thermal and diffusion processes accompanying the flow of hydrocarbon viscous media; to explain the nature of their interaction in limited internal areas under the action of complex effects accompanying the flow in complex pipelines; to develop effective solutions for optimal control of natural raw material transport and improvement of reliability of operation of pipelines energy-stressed nodes. The object of the research is the near-wall flows of drop and gaseous hydrocarbon media in structural elements of internal systems often encountered in engineering applications, in particular, oil and gas, chemical and thermal power industries. Such elements are sections of short or extended pipelines with curved wall surface in the form similar to connecting units or sections of confuser-diffuser type varying in length. Streams are complicated by effects of curvature of flow lines, spatial deformation, changes in dynamic structure and pressure. The aim of the work is to understand uncertainties, peculiarities and patterns of flows, as well as the possibility of applying modern models of turbulence to forecast the processes in pipelines at confuser-diffuser sections; to study in detail the changes in the "fine" structure of the complex shear flow; to give recommendations in calculating practice of near-wall flows in the specified hydrodynamic configuration and intensive operation modes of the equipment. Methods: theoretical and practical methods of mathematical modeling and numerical investigation of spatial turbulent flows, peculiarities of changes in their pulsation structure according to schemes (models) with a large number of equations - RANS-models of turbulence, including a dynamic two-parameter base. The choice of the latter depends on the representations: to reproduce statistical correlations or parameters of complex flows, local turbulent properties (integral scale, kinetic energy, dissipation, etc.) of the eddies; to take into account the non-uniform and anisotropic nature of changes in flow structure due to deformation effects excited by variable pressure and Reynolds stresses gradients. Results. The authors have analyzed the features of turbulent flows of hydrocarbon of viscous media in pipelines including connecting elements of confuser-diffuser type and studied the possibilities of complex shear flows of viscous media, popular in calculations of the pipelines at the curved wall boundary, multi-variable statistical models of second-order turbulence, implemented in high- and low-Reynolds versions. It has been found that a better description of the intensity and size of the recirculation zones of the pipelines is given by the k-kl[omega]/kL- and RSM-kL models as being more conservative and resistant to perturbations coming from the walls of the pipeline. Therefore, it is appropriate to include them as the base for the RSM-model. Calculations revealed the existence of a second separated flow zone. It is shown that the greatest changes of turbulent kinetic energy of turbulence, normal components of Reynolds stresses tensor are located in the zone of interaction of shear layer with return and straight-flow separated flow, and the generation is near the separated point. The compliance of calculations of the structure of similar flows with the data of other authors allows stating that understanding of processes, forecast of intensity of dynamic loads in local zones of flow connection to walls according to the presented models will not lead to emergency operation of equipment and will ensure optimal control of transportation of raw materials by pipelines.