Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Численное моделирование одно-и двухфазных «периодических» течений

Диссертация: Численное моделирование одно-и двухфазных «периодических» течений
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Проблемы проектирования технических устройств, как правило, основываются на теплофизических исследованиях протекающих в них процессов. В частности, это относится и к системам трубопроводов, используемых в разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений, при транспортировке газожидкостных смесей, к теплообменникам и другим промышленным аппаратам. Как следствие, повышенный интерес привлекают… Читать ещё >

Численное моделирование одно-и двухфазных «периодических» течений (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературных источников
    • 1. Численные методы: граничные условия для уравнения переноса
    • 2. Совместное течение двух жидкостей
    • 3. Течения в каналах с препятствиями
  • Глава 2. Методология моделирования
    • 1. Разностное представление уравнений
    • 2. Граничные условия для уравнения переноса
  • Механические граничные условия
  • Условия периодического типа
  • Формулировка граничных условий при заданной мощности, затрачиваемой на прокачку жидкости
    • 3. Методы решения разностных уравнений
    • 4. Моделирование границы раздела между жидкостями
  • Глава 3. Решение конкретных задач
    • 1. Течение в канале с препятствиями
  • Постановка задачи и математическая модель
  • Параметры расчета и численная схема
  • Результаты расчетов. ф
  • Выводы по задаче
    • 2. Периодическое двухфазное течение в канале с препятствиями
  • Постановка задачи и математическая модель
  • Численная схема
  • Результаты расчетов
  • Выводы по задаче
    • 3. Периодическое двухфазное течение в рельефном канале
  • Постановка задачи и математическая модель
  • Численная схема
  • Результаты расчетов
  • Выводы по задаче

Проблемы проектирования технических устройств, как правило, основываются на теплофизических исследованиях протекающих в них процессов. В частности, это относится и к системам трубопроводов, используемых в разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений, при транспортировке газожидкостных смесей, к теплообменникам и другим промышленным аппаратам. Как следствие, повышенный интерес привлекают к себе задачи гидродинамики многофазных сред и конвективного теплообмена, где преобладают расчетные исследования, основанные на численном решении уравнений законов сохранения. При этом каждая из анализируемых задач обладает своей спецификой, в том числе и в части постановки граничных условий, которые обусловлены используемыми в расчете независимыми переменными. Течения, имеющие периодический характер устанавливаются при наличии на стенках канала или его внутренней полости равномерно распределенных выступов или других препятствий. В этом случае в поле полностью развитого течения выделяются подобласти, на границе которых могут быть заданы так называемые «периодические» граничные условия.

В общем случае вычислительный метод должен иметь возможность реализации основных типов граничных условий для каждой зависимой переменной. В настоящее время предложено огромное количество численных методов для решения задач гидродинамики, однако допустимые граничные условия ограничиваются наиболее распространенными. Поэтому постановка и численная реализация граничных условий в каждом случае требует отдельного рассмотрения.

Целью настоящего исследования является построение, верификация и последующее применение необходимых алгоритмов и схем счета к изучению следующих конкретных проблем вычислительной гидродинамики:

• Исследование процессов гидродинамики и теплообмена в круглом канале с поверхностными интенсификаторами при постоянной мощности, затрачиваемой на перекачку теплоносителя.

• Изучение влияния местных сопротивлений на характер периодического течения при совместном течении воды и нефти в плоском канале.

• Исследование основных гидродинамических параметров совместного турбулентного течения воды и нефти в рельефном канале.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

• Предложена процедура коррекции граничных условий, позволяющая поддерживать заданный уровень мощности, затрачиваемой на перекачку жидкости, как для периодических, так и для непериодических внутренних несжимаемых течений.

• Изучено влияние препятствий, моделирующих различного рода регулирующие и запорные устройства, которые могут быть установлены в трубах, на характер течения двух жидкостей и его основные параметры.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием общих законов и уравнений механики сплошной среды и проведением тестовых расчетов.

Предложенные алгоритмы и методы могут быть использованы при численном исследовании задач интенсификации теплообмена, где актуальной является задача моделирования течений при заданной мощности, затрачиваемой на перекачку жидкостей, которая снимает проблему выбора критерия интенсификации.

Полученные результаты исследования могут быть использованы в практических расчетах по гидродинамике смесей, для проектирования гидродинамических процессов в системах трубопроводов, в теплообменниках и других промышленных аппаратах.

Основные результаты работы докладывались на 2nd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics (Zambia,.

2003), XLII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2004), XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004), Third M.I.T. Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics (USA, 2005), XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005), XLVIII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва — Долгопрудный, ноябрь 2005 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 86 страницах, содержит 36 рисунков, 1 таблицу.

Список литературы

включает 72 источника.

Выводы по задаче.

Анализ данных, полученных в результате численного моделирования, позволил сделать следующие выводы:

• Как для ламинарного, так и для турбулентного режима течения можно выделить две области с характерным режимом течения. На участке участок восходящего течения под действием сил Архимеда максимальную скорость приобретает поток нефти. В окрестности участка с нисходящим течением преобладают силы гравитации, и максимальную скорость приобретает вода.

• Максимальные возмущения и максимальное поверхностное трение соответствует областям, где поток испытывает наибольшее сопротивление своему движению.

Заключение

.

В рамках исследования задачи течения однофазной среды через канал со вставками организована процедура коррекции граничных условий, позволяющая поддерживать заданный уровень мощностиизучено влияние высоты выступов и их числа на характер теплообмена в области. Получено, что максимальный передаваемый поток соответствует каналу без поверхностных интенсификаторов. При увеличении высоты ребер расход теплоносителя сокращается интенсивнее по сравнению с уменьшением интенсивности теплосъема, что позволяет использовать выступы с целью сокращения расхода теплоносителя.

При изучении задачи периодического ламинарного совместного течения воды и нефти в канале с препятствиями программно реализованы периодические граничные условия на основе алгоритма SIMPLER и метода контрольного объемак данной геометрии адаптирован алгоритм расчета положения границы раздела между двумя жидкостями, первоначально разработанный для течений в горизонтальных каналахпроведены серии расчетов, в результате которых выявлено влияние расположения препятствий на общий расход смеси. Установлено, что при соотношении воды и нефти в общем потоке 3:2 расходы при расположении препятствия на верхней или нижней боковой поверхности приблизительно равны. При уменьшении доли воды в потоке расход для верхнего положения вставки выше, чем при расположении вставки на нижней боковой поверхности, максимальная разница составляет 25% для соотношения воды и нефти 1:9. В случае если доля воды больше, чем 0.6, наблюдается обратная ситуация, и расход выше для нижнего положения вставки. Максимальная разница составляет 17% для соотношения воды и нефти 9:1.

В рамках исследования задачи периодического турбулентного совместного течения воды и нефти в рельефном канале программно реализованы периодические граничные условия в рамках алгоритма SIMPLER и метода контрольного объемак данной геометрии адаптирован алгоритм расчета положения границы раздела между двумя жидкостямипроведены серии численных экспериментов, на основании которых проанализированы основные характеристики течения. Получено, что как для ламинарного, так и для турбулентного режима течения можно выделить две области с характерным режимом течения. На участке восходящего течения под действием сил Архимеда максимальную скорость приобретает поток нефти. В окрестности участка с нисходящим течением преобладают силы гравитации, и максимальную скорость приобретает вода.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2-х книгах. М.: Мир, 1990. — 728 с.
  2. К. Численные методы на основе метода Галеркина. М.: Мир, 1988.-352 с.
  3. К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т. -М.: Мир, 1991.-552 с.
  4. А. А., Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач конвекции диффузии. — М.: УРСС, 1999. — 248 с.
  5. В. П. Методы неполной факторизации для решения алгебраических систем. М.: Наука, 1995. — 288 с.
  6. С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
  7. Van Doormaan J. P., Raithby G. D. Enhancements of the simple method for prediction incompressible fluid flow // Numerical Heat Transfer. 1984. — V. 7.-Pp. 147−163.
  8. П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1982. — 616 с.
  9. А.А. Механика сплошной среды. Учебник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М: Изд-во Моск. ун-та, 1978. — 287 с.
  10. Ю.Седов Л. И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973. В 2-х т. Т.1. -600 с. 11 .Зубков П. Т. Вычислительная гидродинамика: курс лекций / П. Т. Зубков, Е. М. Свиридов, Е. Н. Тарасова. Тюмень: Изд-во Тюменского гос. ун-та, 2005.-71 с.
  11. Patankar S.V., Liu С.Н., Sparrow Е.М. Fully developed flow and heat transfer in ducts having streamwise-periodic variations of cross-sectional area // Journal of Heat Transfer, 1977. V. 99. — Pp. 180 — 187.
  12. Sparrow E.M., Baliga B.R., Patankar S.V. Heat transfer and fluid flow analysis of interrupted-wall channels, with application to heat exchangers // Journal of Heat Transfer. 1977. — Pp. 4−11.
  13. С.А., Баранов П. А., Кудрявцев H.A., Баранова Т. А. Численное моделирование влияния чисел Рейнольдса и Прандтля на ламинарный теплообмен в коридорном пакете круглых труб // Теплофизика и аэромеханика, 2004. -Т. 11, № 1. С. 87−106.
  14. Rosaguti N.R., Fletcher D.F., Haynes B.S. Laminar flow in a periodic serpentine channel // Proc. of 15th Australasian Fluid Mechanics Conference (Australia, December 2004).
  15. И.А. Моделирование гидромеханических процессов в технологии изготовления полупроводниковых приборов и микросхем / И. А. Белов, В. А. Шеленкевич, Л. И. Шуб. Л.: Политехника, 1991. — 287с.
  16. И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1983. -144с.
  17. Fusegi Т. Mixed convection in periodic open cavities with oscillatory throughflow // Numerical Heat Transfer, 1996. -V. 29. Part A. Pp. 33 — 47.
  18. Fusegi T. Numerical study of convective heat transfer from periodic open cavities in a channel with oscillatory throughflow // Int. J. Heat and Fluid Flow, 1997. -V.18. Pp. 376−383.
  19. Murthy J. Y., Mathur S. Periodic flow and heat transfer using unstructured meshes // International Journal for Numerical Methods in Fluids. V. 25. -Pp. 659−677.
  20. П.Т., Тарасова Е. Н. Гидродинамика и теплообмен в канале с периодической по длине структурой // Сб. трудов XXVII Сибирского теплофизического семинара электронный ресурс., 2004.
  21. Russel T.W.F., Govier G.W., Hodgson G.W. Horizontal pipeline flow of oil ф and water // Can. J. Chem. Engng, 1959. V.37. — Pp.9−17.
  22. Charles M.E. The reduction of pressure gradient in oil pipelines: experimental results for the stratified flow of heavy crude oil and water // Can. Inst. Min. Metal Trans, 1960. V.63. — Pp. 306.
  23. Yu H.S., Sparrow E.M. Experiments on two-component stratified flow in a horizontal duct // J. Heat Transfer, 1961. V.91. — P. 51. ф 26.Ни H.H., Joseph D.D. Lubricated pipelining: stability of coreannular flow.
  24. Part 2. // J. Fluid Mech., 1989. V. 205. — P. 359.
  25. Brauner N. Liquid-liquid two-phase flow // The update journal of the heat exchanger design handbook, 1998. V.5, Issue 1. — Pp.2.3.5
  26. Angeli P., Hewitt G.F. Flow structure in horizontal oil-water flow // Int. J. of Multiphase flow, 2000. V.26. — Pp. 1117−1140.
  27. Charles M.E., Govier G.W., Hodgson G.W. The horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixtures // Can. J. Chem. Engng, 1961. V.39. — Pp. 27−36.
  28. Valle A., Kvandal H.K. Pressure drop and dispersion characteristics of separated oil-water flow // Proc. of the International Symposium on Two-Phase Flow Modeling and Experimentation (Italy, oct. 1995.). Pp. 583 -591.
  29. Trallero J.L. Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipes. Ph.D. Dissertation, The University of Tulsa. (1995).
  30. Nadler, M. Mewes, D. Flow induced emulsification in the flow of two immiscible liquids in horizontal pipes // International Journal Multiphase Flow, 1997. V. 23. — Pp. 55−68.
  31. Vedapuri D., Bessette D., Jepson W.P. A segregated flow model to predict water layer thickness in oil-water flows in horizontal and slightly inclined pipelines // Proc. of Multiphase'97 (France, June 1997). Pp. 75- 105.
  32. Beretta A., Ferrari P., Galbiodi L., Andreini P.A. Oil-Water Flow in Small Diameter Tubes. Pressure Drop. // International Comm. Heat Mass Transfer. -1997.-V. 24.-Pp. 231−239.
  33. Beretta A., Ferrari P., Galbiodi L., Andreini P.A. Oil-Water Flow in Small Diameter Tubes. Flow Patterns // International Comm. Heat Mass Transfer. -1997. V. 24. — Pp. 223−229.
  34. Andreini P.A., Greef P., Galbiati L., Kuklwetter A., Sutgia, G. Oil-Water Flow In Small Diameter Tubes // Proc. of International Symposium on Liquid-Liquid Two-Phase Flow and Transport Phenomena (Turkey, Nov. 1997).
  35. Valle A., Utvik O.H. Pressure drop, flow pattern and slip for two phase crude oil/water flow: experiments and model predictions // Proc. of International Symposium on Liquid-Liquid Two-Phase Flow and Transport Phenomena (Turkey, Nov. 1997).
  36. Hapanowicz J., Troniewski L., Witczak S. Flow Patterns of Water-Oil Mixture Flowing in Horizontal Pipes // // Proc. of International Symposium on Liquid-Liquid Two-Phase Flow and Transport Phenomena (Turkey, Nov. 1997).
  37. Angeli P., Hewitt G.F. Pressure Gradient In Horizontal Liquid-Liquid Flows // International Journal Multiphase Flow. 1998. — V. 24. Pp. 1183−1203.
  38. Soleimani A. Phase distribution and associated phenomena in oil-water flows in horizontal tubes. Ph.D. Dissertation. Imperial College, University of London. (1999).
  39. Angeli P., and Hewitt G.F. Flow Structure In Horizontal Oil-Water Flow // ф International Journal Multiphase Flow. 2000. — V. 26. — Pp. 1117−1140.
  40. Fairuzov Y.V., Medina P.A., Fierro J.V., Islas R.G. Flow pattern transitions in horizontal pipelines carrying oil-water mixtures: full-scale experiments // Journal Energy Resources Technology-Trans. ASME. 2000. — V. 122. — Pp. 169−176.
  41. Angeli P., Lovick S., Lum Y.L. Investigations on the Three-Layer Pattern # During L-L Flows // Proc. of 40th European Two-Phase Flow Group Meeting1. Stockholm, June 2002).
  42. Brauner N., Moalem Maron D. Two phase liqid-liquid stratified flow // PhysicoChem. Hydrodynam. 1989. — V. l 1. — Pp. 487−506.
  43. Brauner N. Two phase liqid-liquid annular flow // Int. J. Multiphase flow. -1991.-V.17.-P. 59
  44. Brauner N., Moalem Maron D. Flow pattern transitions in two-phase liquid-liqid flow in horizontal tubes // Int. J. Multiphase flow. 1992. V. l8. — Pp. 123−140.
  45. Brauner N., Moalem Maron D. Stability analysis of stratified liquid-liquid horizontal flow// Int. J. Multiphase flow. 1992. — V. 18. — Pp.103−121.
  46. Russell T.W.F., Charles M.E. The effect of less viscous liquid in the laminar flow of two immiscible liquids // Can. J. Chem. Engng. 1959. — V.37. — Pp. 18−34.
  47. Tang Y.P., Himmelblau P.J. Velosity distribution of isothermal two-phase cocurrent laminar flow in horizontal rectangular duct // Chem. Engng. Sci. -1963.-V. 18.-Pp. 143−144.
  48. Brauner N., Rovinsky J., Moalem Maron D. Determination of the interface curvature in stratified two-phase sistems by energy consideration // Int. J. Multiphase Flow. 1996. — V. 22. — Pp. 1167−1185.
  49. Bentwich M. Two-Phase Axial Flow in Pipe // Trans of the AHME. Series D. 1964. — V. 86, N. 4. — Pp. 669−672.
  50. Bentwich M. Two Phase Axial Laminar Flow in a Pipe with Naturally Curved interface // Chem. Eng. Sci. 1976. — V.31. — Pp. 71−76.
  51. Masliyah J. H., Shook C. A. Two-Phase Laminar zero Net flow in circular Inclined Pipe // The Can. J. Chem. Eng. 1978. -V. 56. — Pp. 165−175.
  52. К. В., Davis, A. M. J. Steady Pressure Driven Two-Phase stratified laminar Flow Through a Pipe // Can. J. Chem. Eng. 1979. — V. 57. — Pp. 688−691.
  53. Brauner N., Rovinsky J., Moalem Maron. D. Analytical Solution of Laminar Stratified Flow with Curved Interfaces // Proc. of the NURETH-7 Meeting, ANS. 1995. -V. l.-Pp. 192−211.
  54. Brauner N., Rovinsky J., Moalem Maron. D. Analytical Solution for Laminar-Laminar Two-Phase Stratified Flow in Circular Conduits // Chem. Eng. Comm.-1996.-V. 141−142.-Pp. 103−143.
  55. Moalem Maron D., Rovinsky J., Brauner N. Analitical Prediction of the Interface Curvature and its Effects on Stratified Flow Characteristics // Proc. of the 1st Int. Symp. on Two-Phase Flow Modeling and Experimentation. -1995.-V. l.-Pp. 163−170.
  56. B.C. Балакирева. Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2005.1. C.118−121.
  57. Г. А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Труды второй Российская национальная конференция по теплообмену. В 8 т. Т.6. Интенсификация теплообмена. М.: Изд-во МЭИ, 1998. — С. 91 — 98.
  58. В. М. К расчету гидравлики местных сопротивлений на двухфазном потоке // Повышение эффективности теплообмена в парогенерирующих установках: Сб./ ЦКТИ. — 1976. — Вып. 139. — С. 35—48.
  59. А. В., Гомбелевскип В. И., Пугачев A. JI. Гидравлические сопротивления подпорных дроссельных шайб, установленных в горизонтальных трубах, двухфазному потоку // Теплоэнергетика. — 1976. —№ 10. —С. 85—88.
  60. П. Т. Тарасова Е.Н., Серебряков В. В. Стационарное течение вязких несмешивающихся несжимаемых жидкостей в плоском канале / Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18: сб. трудов
  61. XVIII международ, науч. конф. (Казань, май 2005 г.). В 10 т. Т.З. / Под общ. ред. B.C. Балакирева. Казань: Изд-во Казанского гос. Технол. унта, 2005. С. 123−127.
  62. П.Т., Серебряков В. В., Сон Э.Е., Тарасова Е. Н. Стационарное течение двух вязких несмешивающихся несжимаемых жидкостей в плоском канале // Теплофизика высоких температур. 2005. — Т. 43, № 5.-С. 768−773.
  63. Son Е.Е., Tarasova E.N., Zubkov Р.Т. Fully developed two-phase liquid-liquid flow in finned duct // Proc. of Third M.I.T. Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics, 2005. Pp. 858−861.
  64. Launder B.E., Sharma B.I. Application of the energy-dissipation model of turbulence to the calculation of flow near a spinning disc // Lett. Heat Mass Transfer.- 1974.-V. l.-Pp. 131−138.
  65. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method. London: Longman Scientific and Technical, 1995.-258 p.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!