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-динамической конфигурации 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 углеводородов 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 и размеров рециркуляционных зон в трубопроводах дают k-klω/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.