Моделирование пространственных течений вязких сред в системе каналов с участками соединений сложной формы

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью анализа особенностей рабочего процесса в аппаратах с соединениями произвольной геометрии, объединяющих/разделяющих течения вязких сред с целью точного и тщательного прогноза нештатных ситуаций их функционирования из-за выраженных тепловых и динамических нагрузок, обусловленных эффектами отрыва, перемешивания, влияния противодавления, эволюции структуры сложного сдвигового неизотермического внутреннего течения при контакте со стенками; потребностью обоснованного выбора с учетом возможностей современной вычислительной техники наиболее естественного подхода исследования пространственного и неустановившегося характера течений в указанных технических системах. Цель: определить проблемы современного уровня исследования течений в каналах Т-образной формы, являющихся одним из главных элементов технического оборудования в нефтегазовой отрасли; установить ценность имеющихся результатов экспериментального и теоретического анализа сложных сдвиговых потоков для совершенствования методик, способствующих повышению эксплуатационно-конструкционного уровня функционирования устройств при высоких динамических и тепловых нагрузках; определить данные для верификации моделей, способных с большей достоверностью прогнозировать особенности течений и тепломассопереноса в трубах; выдать рекомендации в практику расчета надежности устройств с Т-образными секциями. Методы: комплексные теоретические и экспериментальные методы анализа гидродинамики и тепломассообмена при вязкостно-инерционных ламинарных и турбулентных течениях углеводородных капельных и газообразных вязких сред во внутренних системах с T-соединениями магистрали и патрубка. Результаты. Выполнен критический обзор современных данных, методов моделирования и моделей исследований процессов гидродинамики и теплообмена при смешении капельных и газообразных потоков в элементах трубопроводных сетей в широком диапазоне изменений режимных и геометрических параметров (T-соединения, симметричное/несимметричное расширение, Re=10{2}…10{7} , (M<0,3…0,7). Исследованы особенности, формирующие структуру течений в отдельных элементах оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности (обвязки крановых узлов). Установлено, что закругление углов соединения способно уменьшить потери энергии в патрубке-отводе на 10-20 %. Проанализированы детали изменений структуры вихрей методами визуализации/бесконтактной регистрации. Приведена классификация структур, полезная при формулировке краевых задач в математическом моделировании процессов в нефтегазовом оборудовании. Отмечается, что использование пристеночных функций для моделирования течений в Т-переходах способно приводить к ошибочной оценке уровня пульсаций температурного и динамического полей в областях стенки. Подчеркнуто, что разделение течений, рост энергонапряженности в локальных участках соединения чувствительны к характеру конвективно-диффузионного взаимодействия процессов переноса импульса, тепла, механизмам отрыва, присоединения, локального ускорения/торможения, турбулизации потока в пристеночных областях. Эти особенности вполне успешно могут быть предсказаны современными моделями, учитывающими специфику течений с неоднородной анизотропной турбулентностью. В заключение даны рекомендации по прогнозу локальных и интегральных свойств течений с перемешиванием, а также отмечены проблемы, имеющие фундаментально-прикладное значение, составляющие предмет перспективных исследований.

Relevance of the research is determined by the need to analyze the features of the workflow in machines with junctions of arbitrary geometry, combining/separating the flows of viscous media, in order to accurately and carefully predict the contingencies of their functioning due to the expressed thermal and dynamic loads caused by the effects of separation, detachment, pressure, the evolution of the structure of complex, shear, non-isothermal internal flows when at contact with the wall; reasonable choice, taking into account the possibilities of modern computing technology, the most natural approach of studying the spatial and unsteady nature of flows in these technical systems. The aim of this paper is to understand the problems of the modern level of research of flows in T-shaped channels, which are one of the main elements of technical equipment in the oil and gas industry; to establish the value of the existing results of experimental and theoretical analysis of complex shear flows in order to improve methods that contribute to an increase in the operational and structural level of the devices under high dynamic and thermal loads; to define the data for verification of models capable of more reliably predicting features of currents and heat and mass transfer in pipes; to give recommendations to the practice of calculating reliability of devices with T-shaped sections. Methodology: complex theoretical and experimental methods of analysis of hydrodynamics and heat and mass transfer at viscous-inertial laminar and turbulent flows of hydrocarbon drop and gaseous viscous media in internal systems with T-connections of the main and branch pipe. Results. The authors have carried out a critical review of modern data, modeling methods and models of studies of hydrodynamics and heat exchange processes when mixing drip and gaseous flows in elements of pipeline networks in a wide range of changes in mode and geometric parameters (T-connections, symmetrical/asymmetric expansion, Re=10{2}…10{7} , (M<0,3…0,7). The paper presents the features that form the structure of currents in individual elements of equipment used in the oil and gas industry (crane assembly bindings). It was found that rounding of connection angles can reduce energy loss in branch pipe by 10-20 %. Details of vortex structure changes were analyzed by visualization/contactless recording methods. A classification of structures useful in formulating edge problems in mathematical modeling of processes at the Petroleum and Gas Devices is given. It is noted that the use of wall functions for modeling flows in T-connections can lead to an erroneous assessment of the level of pulsations of temperature and dynamic fields in wall regions. It is emphasized that the disengagement of flows, the growth of energy stress in local sections of the connection are sensitive to the nature of convective-diffusion interaction of momentum, heat transfer processes, separation, connection, local acceleration/braking mechanisms, turbulization of flow in wall regions. These features can be successfully predicted by modern models that take into account the specifics of flows with heterogeneous anisotropic turbulence. In conclusion, recommendations are given on prediction of local and integral properties of mixed flows, as well as problems having fundamental and applied significance that make up the subject of promising research.