Глава 1. Проблемы прогноза процессов переноса при реальных условиях движения сложных сред в трубах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

С.Н. Харламов

ИЗБРАННЫЕ ГЛАВЫ К КУРСУ ЛЕКЦИЙ

“ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ”

Учебное пособие

Издательство ТПУ

Томск 2009

УДК 523.529:536.46

ББК 253.312

Харламов С.Н. Избранные главы к курсу лекций “ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ”. – Томск. Изд-во ТПУ, 2009. - 126с.

В учебном пособии излагаются фундаментальные положения гидравлики и гидродинамики, современная научная концепция и отдельные перспективные вычислительные технологии, методы физико-математического, экспериментального и численного моделирования течений вязких теплопроводных сред в трубопроводных системах. Детально рассматриваются особенности физического описания процессов течения сложных по структуре сред, средства их регистрации и формы уравнений, варианты граничных условий, а также приводятся некоторые типы конечно-разностных схем. Обсуждаются точность расчета сложных сдвиговых течений в замкнутых системах (каналах, нефте- и газопроводах). Практическое применение материала математического моделирования процессов молярного переноса импульса направлено на комплексную оценку состояния трубопроводных систем, определения эффективных безопасных режимов их эксплуатации.

Комплекс полезен научным работникам, инженерам, аспирантам и студентам вузов, занимающимся проектированием и эксплуатацией магистральных трубопроводов, управлением трубопроводными сетями, повышением их пожарной и промышленной безопасности.

Включает: иллюстрации, 10 использованных источников литературы, таблицы.

Р е ц е н з е н т:

доктор физико-математических наук,

профессор кафедры физики

Томского государственного университета

И.К. Жарова

© Издательство ТПУ, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ……………………………………………………………………………………….6

Глава 1. Проблемы прогноза процессов переноса при реальных условиях движения сложных сред в трубах ………………………………………………………………………….…………….7

1. Введение……………………………………………………………….…………………….. 7

1.1. Связь с дисциплинами физико-математического профиля……….……………….7

1.2. Основные этапы развития гидродинамических исследований……………………7

2. Представления о сопротивлении, как потерях механической энергии при движении жидкости в трубопроводах …………………………………………………………………….7

3. Неустановившиеся течения жидкости…………………………………………………….. 9

4. Проблемы установившихся и неустановившихся течений в трубопроводах …………10

5. Учет многокомпонентности состава смеси и фазовых переходов …………………..…10

6. Взвесенесущие и газожидкостные потоки …………………………………………….…10

6.1. Положения теории Х.А. Рахматуллина в описании многофазных потоков ……10

7. Экспериментальные методы исследований взвесей …………………………………….11

7.1. Газожидкостные потоки…………………………………………………………… 11

8. Течения неоднородных по плотности потоков в стратифицированных средах……….11

9. Моделирование как метод познания ……………………………………………………..12

10. Актуальность проблемы комплексного физико-математического и численного моделирования теплогидрогазодинамических процессов в технологии транспорта нефти и газа ………………………………………………………………………………………..…13

11. Современные достижения в моделировании турбулентных течений с тепломассообменом …………………………………………………………………………..14

11.1. Этапы построения сложных моделей с учетом анизотропии ………………….15

Глава 2. Экспериментальные методы исследований. Элементарные понятия, определения теории вероятности и математической статистики в исследовании сплошных сред ….17

1. Замечания по математической обработке результатов измерений ………………….17

1.1. Основные понятия ……………………………………………………………………18

1.2. Понятие о выборке ……………………………………………………………….…..19

1.3. Математическая обработка результатов опыта …………………………………….21

1.4. Косвенные измерения …………………………………………………………….….22

2. Современные методы диагностики развивающихся потоков. ЛДИС оборудование 24

Глава 3. Понятие о методах изучения сплошных сред и их теплофизичеких свойствах ….. 26

1. Феноменологический и статистический методы описания среды ……………………26
2. Проблемы моделирование гидродинамических процессов в средах со сложной структурой и химическими реакциями ……………………………………………..27
3. Коэффициенты переноса в рамках статистической теории вязких многокомпонентных инертных и химически реагирующих сред …………………………………………….28

3.1. Некоторые сведения формальной кинетики химических реакций ………………28

3.2. Переносные свойства реагирующих многокомпонентных систем…………………… 29

3.2.1. Коэффициент вязкости ……………………………………………………29

3.2.2. Коэффициент бинарной диффузии ………………………………………30

3.2.3. Интегралы столкновений ……………………………………………….30

3.2.4. Коэффициент теплопроводности ………………………………………31

1. Замечания к формулировке физических свойств континуума в рамках феноменологического метода ……………………………………………………………31

Глава 4. Измерения динамических параметров в рабочем теле. Методы и приборы ………32

1. Измерение давлений ………………………………………………………………..32

1.1. Способы измерения давления. Статистическое и полное давление ……………..32

1.2. Приемники давления…………………………………………………………………33

1.3. Жидкостные манометры ……………………………………………………………..35

1.4. Манометры механического типа …………………………………………………..38

1.5. Электрические датчики давления …………………………………………………..40

1.6. Вакуумметры ……………………………………………………………………….43

1. Измерение скоростей …………………………………………………………………………..45

2.1. Измерение малых скоростей ………………………………………………………45

1. Детальные средства изучения среды: лазерный доплеровский измеритель скоростей50

Глава 5.Понятие о реальной и идеальной средах ……………………………………………..51

1. Основные подходы к изучению движения сплошных сред ……………………………51
2. Индивидуальная производная ……………………………………………………………52
3. Напряженное состояние деформируемой среды ………………………………………..53
4. Тензор напряжений ……………………………………………………………………….55

4.1. Идеальная жидкость, ее тензор напряжений ……………………………………….55

1. Вязкая жидкость …………………………………………………………………………..56

5.1. Нетеплопроводная среда……………………………………………………………..56

5.2. Сжимаемая жидкость ……………………………………………………………..…57

Глава 6.Понятие о силах, распределенных по объему и поверхности физической системы 57

1. Массовые и поверхностные силы ………………………………………………………..57
2. Граничные условия в формулировке гидродинамических проблем …………………..58
3. Общая постановка задач о течении идеальной нетеплопроводной жидкости ………..58
4. Потенциальные вихревые движения идеальной среды. Основные теоремы …………59

Глава 7. Статика жидкостей и их свойства. Основные законы равновесия …………………60

1. Уравнения равновесия жидкости и газа ………………………………………………..60
2. Равновесие жидкости в поле силы тяжести …………………………………………….62
3. Относительный покой жидкости ……………………………………………………….64
4. Статическое давление жидкости на твердые поверхности. Закон Архимеда ………66

Глава 8. Динамика вязкой жидкости и газа. Уравнения законов сохранения массы, импульса и энергии …………………………………………………………………………………………..69

1. Математическая формулировка процессов переноса в сплошной среде ……………..69

1.1. Понятие о газообразных средах. …………………………………………………….70

1.2. Простейшие модели материальных сред ……………………………………………71

1. Уравнения законов сохранения массы и импульса в однофазной области ………..….72

Глава 9. Моделирование турбулентности ………………………………………………………72

1. Физическая постановка задачи ………………………………………………………..…73
2. Математическая формулировка проблемы ………………………………………..……74
3. Модель турбулентности к замыканию уравнений, определяющих течение и теплоперенос во внутренних системах …………………………………………………74
4. Краевые условия …………………………………………………………………………76

Глава 10. Современные методики математического моделирования и расчета турбулентных течений …………………………………………………………………………………………….77

1. Актуальность проблемы комплексного физико-математического и численного моделирования теплогидрогазодинамических процессов ……………………………..77

1. Схема численного интегрирования уравнений приближения “узкого канала” ………77
2. Замечания о сходимости итерационного процесса ……………………………………..81
3. Характеристика отдельных процессов. Результаты и их обсуждение …………..……82

Глава. 11. Введение в теорию подобия потоков однофазных и многофазных сред ………..86

1. Некоторые замечания по введению аппарата теории подобия ……………………..…86
2. Основные теоремы ……………………………………………………………………….87

Глава 12. Уравнение Бернулли в механике жидкости. Основные теоремы …………………88

1. Вводные замечания, определения и теоремы …………………………………………..88

1.1. Интеграл Бернулли и усложненная термодинамика…………………………………89

1.2. Интеграл Лагранжа……………………………………………………………………..90

1.3. Интеграл Эйлера-Бернулли……………………………………………………………90

1. Основные теоремы динамики жидкости…………………………………………………90

Глава 13. Основные положения задачи об истечении капельных сред из замкнутых систем92

1. Понятия и определения……………………………………………………………………92

1.1. Истечение из малого отверстия………………………………………………………..92

1. Истечение из насадок……………………………………………………………………..93

Глава 14.Гидравлический удар в трубопроводах ……………………………………………..95

1. Актуальность и физическое содержание вопроса ………………………………………95

1.1. Физическая суть ГУ……………………………………………………………………..95

1.2. Гасители ГУ……………………………………………………………………………..96

1. Условия на разрывах (скачках) гидродинамических величин…………………………96

Глава 15. Насосы. Принципиальные схемы и характеристики ……………………………..97

1. Основные сведения и некоторые замечания……………………………………………97

1.1. Динамические насосы ……………………………………………………………….97

1.2. Объемные насосы ……………………………………………………………………97

1. Основныепараметры насосов……………………………………………………………98
2. Принцип работы центробежных насосов………………………………………………..99
3. Основные и подпорные центробежные насосы для магистральных трубопроводов.100
4. Характеристики магистральных насосов ………………………………………………106

6. Совместная работа турбомашин………………………………………………………..107

7. Регулирование турбомашин…………………………………………………………….109

8. Конструктивное исполнение динамических насосов…………………………………110

8.1. Общая схема насосной установки…………………………………………………110

8.2. Основные элементы конструкций динамических насосов………………………112

8.3. Рабочее колесо лопастных насосов…………………………………………………112

1. Шестеренные насосы……………………………………………………………………118
2. Явление кавитации………………………………………………………………………119

Глава 16. Современные методики расчета детальной гидродинамической картины турбулентного течения смеси в трубопроводах………………………………………………..120

1. Критический анализ моделей……………………………………………………………120
2. Математическая модель течения………………………………………………………..120
3. Граничные условия и численный метод решения……………………………………..121
4. Обсуждение результатов…………………………………………………………………122
5. Основные выводы……………………………………………………………………..…125

Заключение………………………………………………………………………………………125

Литература ………………………………………………………………………………………126

Предисловие

Решение проблем безопасности транспорта природного сырья по трубопроводам связано с повышением надежности, эффективности работы объектов трубопроводного транспорта и трубопроводов энергетических предприятий. Эти проблемы необходимо рассматривать совместно с задачей снижения энергетических затрат на транспорт продуктов по магистральным трубопроводам, поэтому подготовка специалистов по комплексному физико-математическому и гидродинамическому моделированию вопросов транспорта вязких сред по трубам, каналам протяженной длины или коротких участков представляется чрезвычайно актуальной.

В данном пособии дается развернутое представление о теоретических подходах и экспериментальных устройствах к детальному прогнозу течений сложного сдвигового потока в каналах, приводятся фундаментальные положения по курсу основ процессов переноса и гидравлического исследования.

В пособии сообщается также о современных достижениях в гидродинамических расчетах практически важных течений на основе использования данных феноменологического и статистического метода описания физических явлений.

Структура пособия позволяет практически освоить методику численного решения сложнейших задач гидродинамики. Этому способствуют также оригинальные результаты автора по исследованию ламинарного и турбулентного течений инертных и химически реагирующих сред с учетом и отсутствием действия массовых сил на поток в каналах. Результаты расчетов получены на основе описываемых технологий и отвечают широкому диапазону изменений параметров течения, теплообмена и геометрии трубопроводных систем. Кроме того, в пособии излагаются некоторые собственные наблюдения, основанные на чтении курсов лекций дисциплин физико-математического профиля для специальности “Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ”, “Механика”, “Вычислительная гидродинамика” для выпускников классического и технического университетов, для повышения квалификации работников нефтяной и газовой промышленности.

Основное внимание в пособии уделяется вопросам: 1) изучения опыта математического моделирования сложного движения; 2) овладения методиками расчета и измерения теплогидродинамических параметров потока в режимах движения, характерных для пуска и останова оборудования по транспорту нефти, развитого и развивающегося течения по каналам и трубам; 3) численному исследованию статистических характеристик изотермических и неизотермических прямоточных и закрученных потоков; 4) анализу влияния пространственной и тепловой деформации на локальные и интегральные параметры течения с помощью современных турбулентных моделей.

Материал настоящего пособия, его структура и содержание могут быть дополнены как новыми знаниями в области решений гидродинамичесиких процессов, так и экспериментальными методиками. Многие поставленные задачи могут служить превосходным стимулом для их выполнения студентами.

Глава 1. Проблемы прогноза процессов переноса при реальных условиях движения сложных сред в трубах

1. Введение

1.1. Связь с дисциплинами физико-математического профиля

Движение сплошных сред (однородных и неоднородных по составу жидкостей, газов, а также смесей, состоящих из них) изучают такие науки как гидравлика и гидрогазодинамика. Предметом исследования здесь выступают задачи механики сплошных сред (МСС). МСС – это обширная часть механики, в которой с помощью и на основе данных, развитых в теоретической механике, рассматриваются движения таких материальных тел, которые заполняют пространство непрерывно, сплошным образом, и расстояния между точками во время движения меняются.

Гидравлика, как техническая наука, изучает законы равновесия и движения жидкостей и разрабатывает способы практического применения этих законов к расчетам искусственных и естественных русел, сооружений и машин. В отличие от гидродинамики, гидравлика характеризуется упрощенным подходом к изучению явлений течения жидкостей, довольствуясь часто только анализом одномерного случая течения сплошной среды.

Гидрогазодинамика, как раздел гидромеханики, изучает движения жидкостей и газов при взаимодействии с твердой стенкой. Это весьма важно для внедрения теоретических результатов в практику.

1.2. Основные этапы развития гидродинамических исследований

Современная гидравлика (ГДВ) является одной из прикладных отраслей гидромеханики (ГМ) в широком смысле этого слова. Развитие ГДВ определялось потребностями науки и техники, развитием отраслей промышленности таких, как машиностроение, теплоэнергетика, горное дело, нефтяная и газовая индустрия.

Экскурс в историю науки показывает:

· что конец XIX-начало XX века – это период активности российской высшей школы. Здесь заметны результаты Н.Е. Жуковского, И.С. Громека в связи с появлением первых исследовательских лабораторий по ГДВ.

· 30-е годы 20 века представляют период строительства гидроэлектростанций (ГЭС) со сложной системой водоснабжения на Днепре, Волге, Ангаре, Иртыше и Оби, и это дополнительно стимулировало исследования в области ГДВ по проблемам: 1) построения эффективных методик оценки гидравлического сопротивления при движении жидкостей по замкнутым системам; 2) нестационарным расчетам изо- и неизотермических течений в каналах с переменной формой поперечного сечения; 3) прогноза многокомпонентных потоков с фазовыми переходами; 4) исследований турбулентности; 5) движений взвесей и т.д.

· 50-70-е годы XXв. – период активизации строительства нефте- и газопроводов – время мощного развития исследований по нефтяной ГДВ.

· С конца XXв. до настоящего времени – период активного сближения прикладной ГДВ и фундаментальной механики, механики турбулентности, теорий пограничного слоя, реологии и физической химии.

2. Представления о сопротивлении, как потерях механической энергии при движении жидкости в трубопроводах

Со времени первых измерений скорости потока и напора (или гидравлического уклона) придвижении жидкости в трубах известно: потери напора (механической энергии потока) находятся в сложной связи со скоростью течения.

Характер связи [ , как потери напора от скорости] в значительной мере разъяснен О. Рейнольдсом (80-е г. XIXв.). Однако вплоть до 30-х г.XXв. отсутствовали представления о всем комплексе факторов, определяющих ς-связь. В понимание механизмов изменения ς по каналу большую роль внес Л. Прандтль. В нашей стране заметны результаты: 1) Н.Н. Павловского – по систематизации опытного материала движения капельных сред в открытых руслах; 2) Л.С. Лейбензона, В.С. Яблонского – исследования сопротивлений при движении нефти и нефтепродуктов в трубопроводах.

Все исследования по ГДВ сопротивлениям можно классифицировать на группы:

1) анализ местных ГДВ сопротивлений;

2) изучения сопротивлений по длине канала при равномерном движении капельных сред (ς-связь для многих переменных – критериев подобия);

3) исследования механизмов потерь энергии в потоке.

Задачи 1-3 группы основываются на: использовании опытных данных; применении теоремы об изменении количества движения.

Заслуга А. Д. Альтшуля в решении задач1-3 группы: 1) осуществил учет влияния локального Re на ς, ξ; построил связь ξ=f(Re, C) с учетом ; 2) на основе полуэмпирической теории турбулентности получил формулы для ξ и профиля скоростей в трубах, действительные во всей области турбулентного течения.

В этой части накоплен значительный материал по анализу течений в трубах круглого поперечного сечения.

Потоки в призматических трубах активно исследовались, например, А.М. Обуховым и др. на основе условий локального подобия турбулентных процессов в различных точках потока жидкости. Так А.М. Обухов ввел прием определения масштаба турбулентности (аналог l - длины пути перемешивания Прандтля), как функции поперечного сечения, работающую в односвязной области. Здесь l – некоторое обобщение (частная форма) интегрального масштаба турбулентности:

, (1)

где e_j – орт оси Ох_j; r_ik – коэффициент корреляции между i-ой и k-ой компонентами скорости в точках . L учитывает пространственную природу, размер вихря, диссипирующего на стенках.

В последнее время очень интенсивны исследования по включению L в расчет сложных течений. Здесь заметны результаты: 1) Н..И. Булеева (1962). Им предложена кинетическая модель механизма турбулентного обмена в потоках жидкости; 2) Г.С. Глушко- О.Ф. Васильев - В.И. Квон ввели транспортное уравнение для L Использование этой модели позволяет избежать многие трудности расчета пристеночных процессов.

Основные проблемы в расчете сложного сдвигового течения до результатов Булеева-Глушко-Квона сводились к следующему: традиционно использовали понятие гидравлического радиуса в попытке учесть особенности формы поперечного сечения ( , где f – площадь поперечного сечения замкнутой системы, s – ее периметр), считая его определяющей линейной характеристикой сечения. Однако, это не всегда дает удовлетворительные результаты: согласно данным А. Базена ς канала прямоугольного сечения на 15% больше данных канала полукруглого сечения при одинаковом гидравлическом радиусе и шероховатости границ потока.

При исследовании задач 3-й группы (потери энергии в потоке) необходимо детально анализирорвать механизмы изменения энергии под действием внешних сил. А, следовательно, необходим учет влияния на ς критериев Fr, Gr, Ra, Ro и т. д.

Изучение механизма потерь энергии в турбулентном потоке связан с изучением структуры самого турбулентного течения в каналах.

Известно, что особое значение имеет структура течения в пристеночной области. Поэтому необходимо включать в анализ процессов переноса уравнение баланса энергии турбулентности K и масштаба L:

; (2)

; (3)

. (4)

Эти уравнения позволяют оценить роль процессов обмена и диссипации в общем процессе передачи энергии от осредненного движения к турбулентности и далее в тепло. Здесь выделяются идеи А.Н. Колмогорова (1942, 1946) , Невзглядова В.Г.(1945, 1959).

Использование моделей турбулентности типа k-ε, k-τ, k-ω открывает реальные возможности для феноменологического замыкания системы уравнений турбулентного потока. С помощью этого подхода рассчитаны многие сложные течения с тепломассообменом во внутренних системах [Харламова С.Н., 1993, 2001].

Поиск по сайту: