МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКИХ СРЕД В СИСТЕМЕ КАНАЛОВ С УЧАСТКАМИ СОЕДИНЕНИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

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=102…107, 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.