Двумерное компьютерное моделирование нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах

Технологические трубопроводы (ТТ) представляют собой одну из основных и важных конструкционных частей любого химического, нефтеперерабатывающего и нефтехимического производства, которые являются ' сложными химико-технологическими системами (ХТС) [1−3]. ТТ связывают между собой как различные аппараты и машины химических технологий некоторой ХТС, так и различные ХТС данного химического предприятия. По. ТТ транспортируются жидкие, газовые, однокомпонентные, многокомпонентные, однофазные и многофазные технологические потоки, особенности течения которых изучает химическая гидродинамика [2]. Термогидродинамические режимы транспортирования технологических потоков варьируются в широком диапазоне [410]. По функциональному назначению ТТ разделяются на внутрицеховые и межцеховые трубопроводы [1,7−9]. Для многих химических производств требуется транспортирование по ТТ жидкостей и газов с температурой выше температуры воспламенения и при высоком давлении, что превращает ТТ в источник повышенной опасности [3,5,7−10]. Поэтому важным вопросом эксплуатации ТТ является обеспечение их безопасности и надежности [2,5,10−12]. На химических производствах (ХП) ТТ используются также для организации сброса высокого давления на факел. При этом могут возникать условия, при которых по ТТ распространяется ударная волна. Конфигурация и конструкция ТТ при этих гидродинамических процессах должна обеспечивать его безопасность и надежность. Таким образом, система технологических трубопроводов является важной функциональной частью любой ХП, а гидродинамический расчет ТТ важным этапом проектирования ХП [1,2,7,9−2].

В настоящее время для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации различных ХТС и технологических трубопроводов весьма актуальным является вопрос оптимизации гидродинамических процессов с учетом § воздействия на трубопровод ударных волн и колебаний потока. Проблемы, связанные с возникновением в газовых трубопроводных системах ударных волн, были рассмотрены впервые в работе [17] и заключается в следующем. При необходимости опорожнения емкостей с газом высокого давления после открывания клапана сброса возникает ударная волна, которая распространяется по трубопроводу и может вызвать его разрушение. Необходимость опорожнения емкостей с газом высокого давления может возникнуть при аварийной ситуации на химическом или нефтехимическом производстве. Для оптимизации гидродинамических процессов сброса давления необходимо определить факторы, которые способствуют увеличению мощности ударной волны, так чтобы, воздействуя на них, добиться ее ослабления. Для того, чтобы ответить на этот вопрос необходимо использовать, как результаты компьютерного моделирования, так и детальный анализ экспериментальных данных о гидродинамических процессах в ТТ.

Анализ технологических данных показывает [18,19], что при открытии клапана сброса по трубопроводу движется ударная волна со скоростью примерно ~ 500 м/с. При этом, учитывая, что длина трубопровода аварийного сброса газа составляет около 2 км, имеем характерное время прохождения ударной волны ~ 4 с, что значительно меньше времени полного открытия клапана, равного 20 — 30 с.

Следовательно, в течение всего периода движения по трубопроводу ударная * волна будет получать энергию от стационарной сверхзвуковой струи сбрасываемого газа. В работе [18] найдено, что перепад давления в ударной волне пропорционален отношению скоростей звука в толкающема, и толкаемом газах а, а2: чем выше отношение —, тем сильнее ударная-волна. Другими важными характеристиками, влияющими на гидродинамические процессы в ТТ, являются геометрические характеристики сложного трубопровода: узлы сочленения, изгибы, сужения, расширения, колена с различными углами поворота и пр. Эти геометрические характеристики имеют важное значение для формирования условий распространения ударной волны в трубопроводах и могут быть использованы в качестве варьируемых параметров при решении задач оптимизации надежности и безопасности ТТ. Так в работе [19] предложены. методы геометрической реконфигурации сложного трубопровода^для демпфирования ударных волн.

Важным при изучении гидродинамических процессов в химических аппаратах и трубопроводах являются вопросы обеспечения равномерного распределения потока по рабочему сечению аппарата и трубопровода, что обусловлено тем, что неравномерность потока значительно ухудшает технико-экономические показатели химико-технологических процессов (ХТП) ХТС [20]. При наличии в сложном трубопроводе различного рода резких переходов, изгибов и других сложных узлов сглаживание потока может быть достигнуто лишь при помощи специальных выравнивающих устройств [20]. При этом эффективным инструментом изучения распределений гидродинамических характеристик потока по сечению и вдоль сложного трубопровода является математическая и компьютерная модель гидродинамики. Для газовых потоков, скорость течения которых нельзя считать малой по сравнению с тепловой скоростью или со скоростью звука, необходимо учитывать эффекты сжатия и использовать для математического моделирования уравнения гидродинамики сжимаемых сред [2,10]. Относительное движение различных частей потока вследствие его деформации в узлах сложного трубопровода приводит к возникновению гидродинамической неустойчивости с возникновением турбулентности [21].

Уравнения гидродинамики сжимаемых сред (уравнения Навье-Стокса) [2,10] позволяют описывать разнообразные физические явления от глобальных атмосферных вихрей до одномерных ударных волн и струйных течений. При этом, если вязкость среды больше некоторого критического значения, все решения краевой задачи с начальными условиями монотонно стремятся к единственному решению, соответствующему основному течению, и любое возмущение этого течения будет затухать [22]. Дальнейшее уменьшение вязкости потока приводит к у • течениям сложной структуры и постепенному переходу к турбулентности через повторяющиеся бифуркации или неоднородности (гипотеза Ландау и Хопфа). Указанные сложные гидродинамические процессы в настоящее время составляют предмет теоретических и экспериментальных исследований и до конца не выяснены [23,24]. В работе [25] отмечается, что к нерешенным задачам современной химической гидродинамики [2] относится задача описания турбулентности и, в частности, вопрос, позволяет ли гидродинамическая модель течений Навье-Стокса общего вида: и, =£и, где и (х,/) — поле скоростей течения, I.

— нелинейный оператор, зависящий от скорости и ее производных, описывать турбулентные течения. При такой постановке вопроса становится реальным подход, основанный на отказе от" детерминированного* описания и учете в уравнениях химической гидродинамики малого шума и. случайных процессов. Уравнения гидродинамики сжимаемого газа при таком подходе могут быть представлены в следующем виде [25]: и, = 1и + <5(0 где ?>((.) — случайная компонента. Роль этой случайной компонеты — 6(() могут играть ошибки дискретизации при компьютерном моделировании. Это может служить обоснованием использования на новом этапе гидродинамичёского моделирования модели «частицы в ячейке» (Р1С-модель) именно для описания неустойчивых нестационарных гидродинамических течений в диапазонах, для которых характерно формирование и разрушение сложных структур вихревого течения газовых потоков в сложных трубопроводах. Подобные процессы наиболее характерны для узлов сочленения сложного трубопровода, в которых существует значительная деформация течения.

В настоящее время широкое использование мощных персональных ЭВМ.

ПЭВМ) позволяет практически проводить компьютерное моделирование «гидродинамики сжимаемых жидкостей в сложных ТТ. При этом могут успешно разрабатываться и применяться на ПЭВМ компьютерные модели гидродинамики с повышенными требованиями к объему вычислительных ресурсов и, в частности, компьютерная модель гидродинамики «частицы в ячейке» [21,31,32,87].

Настоящая диссертация посвящена разработке двухмерных математических и компьютерных моделей гидродинамики сжимаемых газов в сложных ТТ, разработке архитектуры и программно-информационного обеспечения компьютерно-информационной системы (КИС) моделирования нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в узлах сложных технологических трубопроводов с применением математических моделей гидродинамики — модели «частицы в ячейке» (РЮ-модели) и модели Мак Кормака [26,46,48].

Основные направления исследований данной кандидатской диссертации выполнялись в соответствии с проектами Государственной научно-технической программы Госкомитета науки и технологий РФ «Экологическая безопасность химических производств» и Государственной научно-технической программы РФ «Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов. Приоритетное направление — создание энергосберегающих процессов на основе рациональных химико-технологических систем, оптимизации технологического оборудования и эффективных систем разделения многокомпонентных смесей». Научная новизна диссертации состоит в следующем:

Разработана методика использования математических моделей «частицы в ячейке» и Мак Кормака для двухмерного моделирования нестационарных течений сжимаемых газов в узлах сложных технологических трубопроводов;

Разработана двухмерная блочная математическая и компьютерная модели нестационарной гидродинамики сжимаемых Газов в сложных технологических трубопроводах, базирующаяся на использовании модели гидродинамических процессов «частицы в ячейке» и модели Мак Кормака. Разработаны алгоритмы расчета интегральных, гидродинамических характеристик течений в сложных ТТ, которые можно использовать для сравнения и классификации различных течений сжимаемых газов по степени их влияния на прочностные характеристики сложных ТТ. Разработаны конечно-разностные схемы и алгоритмы решения краевых задач для гидродинамической модели «частицы в ячейке» и модели Мак Кормака в блочных приближениях.

Разработаны компьютерные модели и алгоритмы анализа нестационарной гидродинамики в типовых узлах сложных технологических трубопроводов: узла внезапного сужения с большего диаметра трубопровода на меньший (конфузора), узла внезапного расширения с меньшего диаметра трубопровода на больший (диффузора) и узла поворотного колена на 90°. Разработана архитектура компьютерно-информационной системы (КИС) моделирования течений в узлах сложного трубопровода, которая позволяет выполнять компьютерное моделирование нестационарных гидродинамических течений в различных узлах сложного трубопровода с визуализацией течений на основе компьютерной анимации. Практическая значимость диссертации состоит в следующем: Разработано программно-информационное обеспечение компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных гидродинамических процессов* в сложных технологических трубопроводах (операционная система MS WINDOWS-95, язык программирования Visual С++ 5.0). Разработанная КИС позволяет проводить компьютерное моделирование распределения полей температуры и давления в потоках сжимаемых газов через сложные трубопроводы, исследовать нестационарные течения и переходные процессы формирования стационарных течений.

Показано применение для анализа гидродинамики сжимаемых газов в сложных ТТ крупнотоннажных производств этилена и аммиака числовых интегральных характеристик оценки нестационарных течений, что позволяет проводить сравнение и классификацию различные течений по степени их воздействия на прочностные характеристики труболроводов. Проведено двухмерное компьютерное моделирование распределения полей температуры и давления в потоках в узлах сложного трубопровода с использованием модели «частицы в ячейке» и модели Мак Кормака. Проведено двухмерное компьютерное моделирование гидродинамических процессов при распространении импульсов сброса избыточного давления в трубопроводе крупнотоннажного производства этилена, по результатам которого разработаны научно-обоснованные рекомендации по повышению безопасности и надежности ТТ. ^.

Проведено двухмерное компьютерное моделирование нестационарных течений сжимаемых газов в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода крупнотоннажного производства аммиака, по результатам которого разработаны научно-обоснованные рекомендации по снижению потерь гидравлического напора в ТТ.

С использованием разработанной КИС проведен анализ характеристик безопасности и надежности сложных ТТ при распространении импульсов сброса4 избыточного давления в трубопроводе крупнотоннажного производства этилена, а также разработаны. научно-обоснованные рекомендации по минимизации потерь гидравлического напора в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода в крупнотоннажном производстве аммиака. Первая глава посвящена аналитическому обзору современного состояния математического и компьютерного моделирования нестационарных гидродинамических процессов в сложных трубопроводах. Обоснована научная и практическая актуальность темы диссертационной работы и сформулированы цели и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена разработке двухмерных математических моделей и алгоритмов анализа нестационарных течений сжимаемого газа в сложных трубопроводах. Предложена двухмерная блочная математическая модель нестационарных гидродинамических процессов в сложных трубопроводах, разработаны конечно-разностные схемы и алгоритмы решения краевых задач для гидродинамической модели «частицы в ячейке» и модели Мак Кормака в блочных приближениях. Разработаны алгоритмы анализа нестационарных течений в узлах сложных технологических трубопроводов: конфузора, диффузора и поворотного колена.

В третьей главе разработана архитектура и программно-информационное обеспечение компьютерно-информационной' системы моделирования нестационарных течений сжимаемого газа в сложных технологических трубопроводах. Даны описания и характеристики программного обеспечения модуля расчета числовых интегральных характеристик нестационарных течений в узлах сложного трубопровода и модуля визуализации результатов компьютерного моделирования.

В четвертой главе приведены результаты использования разработанных математической модели, алгоритмов и программно-информационного обеспечения компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных течений сжимаемых газов в сложных трубопроводах для:

— анализа нестационарных течений газов в сложном трубопроводе при распространении импульсов сброса избыточного давления крупнотоннажного производства этилена;

— минимизации потерь гидравлического напора в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода в крупнотоннажном производстве аммиака.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены распечатки основных компонентов программно-информационного обеспечения компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных течений сжимаемого газа в сложных технологических трубопроводахинструкция пользователю КИС и справка о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Основные результаты научных исследований.

1. Разработана методика использования математических моделей «частицы в / ячейке» и Мак Кормака для двухмерного моделирования нестационарных течений сжимаемых газов в узлах сложных технологических трубопроводов.

2. Разработана двухмерная блочная математическая и компьютерная модели нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах, базирующаяся на использовании модели гидродинамических процессов «частицы в ячейке» и модели Мак Кормака.'.

3. Разработаны алгоритмы расчета числовых интегральных характеристик для анализа нестационарных течений газовых потоков в узлах сложного трубопровода.

4. Разработаны компьютерные модели и алгоритмы анализа нестационарной гидродинамики в типовых узлах сложных технологических трубопроводов: узла внезапного сужения с большего диаметра трубопровода на меньший (конфузора), узла внезапного расширения с меньшего диаметра трубопровода на больший (диффузора) и узла поворотного колена на 90°.

5. Разработаны архитектура и программно-информационное обеспечение компьютерно-информационной системы моделирования нестационарных гидродинамических процессов в сложных технологических трубопроводах, которая позволяет проводить компьютерное моделирование распределения полей температуры и давления нестационарных течений сжимаемых газов через сложные трубопроводы, а также распространение ударных волн.

6. Проведен анализ характеристик безопасности и надежности ТТ при распространении импульсов сброса избыточного давления в трубопроводе крупнотоннажного производства этилена, а также разработаны научно-обоснованные рекомендации по минимизации потерь гидравлического напора в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода в крупнотоннажном производстве аммиака.. .

7. Проведено двухмерное компьютерное моделирование нестационарных течений сжимаемых газов в сложном трубопроводе установки моноэтаноламиновой очистки технологических газов от двуокиси углерода крупнотоннажного производства аммиака, по результатам которого разработаны научно-обоснованные рекомендации по снижению потерь гидравлического напора в ТТ.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своим научным руководителям — действительному члену (академику) Академии технологических наук РФ, профессору, доктору технических наук Мешалкину Валерию Павловичу и профессору, доктору физико-математических наук Бутусову Олегу Борисовичу за постоянную научную помощь, внимание и требовательность к выполнению научно исследовательской работы автора.

Автор благодарит коллектив БашНИИНефтемаша (г.Уфа) за проявлений интерес к научно-исследовательской работе по компьютерному моделированию нестационарной гидродинамики сжимаемых газов в сложных технологических трубопроводах и за практическое использование разработанной компьютерно-информационной системы моделирования (КИС) нестационарной гидродинамики.