Методика моделирования квазиизотермического процесса в вихревых устройствах дросселирования давления газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Свистунов, Антон Вячеславович

• Свистунов, Антон Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Свистунов, Антон Вячеславович

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Глава 1. Аналитический обзор проблемы дросселирования и обоснование возможности процесса квазиизотермического дросселирования

1.1. Проблемы дросселирования давления газа.

1.2. Обзор теоретических исследований процесса вихревого эффекта.

1.3. Обоснование возможности получения процесса квазиизотермического дросселирования давления газа и постановка задач работы.

1.4. Анализ математических моделей вихревого эффекта.

Выводы.

Глава 2. Разработка методики численного моделирования квазиизотермического процесса в устройствах дросселирования.

2.1. Разработка структурной схемы процесса квазиизотермического дросселирования.

2.2. Разработка алгоритма формирования проточкой части устройства квазиизотермического дросселирования давления газа.

2.3. Формирование критериальной базы и разработка математической модели процесса квазиизотермического дросселирования давления газа.

2.4.Выбор и обоснование использования к-г модели турбулентности.

Выводы.

Глава 3. Численное моделирование процесса квазиизотермического процесса дросселирования.

3.1. Общие принципы методики моделирования вихревых течений реализующих процесс дросселирования давления газа.

3.2. Построение расчетной области численного решения.

3.3. Оценка погрешности численного эксперимента.

3.4. Результаты численного моделирования процесса температурной стратификации с внутренним смешением.

Выводы.

Глава 4. Физическое моделирование и идентификация квазиизотермического эффекта дросселирования газа.

4.1. Разработка методики физического моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа.

4.2. Экспериментальное исследование характеристик процесса квазиизотермического процесса дросселирования.

4.3. Обработка и результаты экспериментальных данных.

4.4. Верификация результатов моделирования.

4.5. Рекомендации по проектированию квазиизотермических дросселирующих устройств.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика моделирования квазиизотермического процесса в вихревых устройствах дросселирования давления газов»

Актуальность исследования:

Повышение энергетической эффективности трубопроводных систем распределения и транспортировки газа является приоритетным направлением развития энергетики и энергетической эффективности промышленности Российской Федерации и входит в перечень критических технологий, определяющих процесс создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления энергетических ресурсов.

Разработанная учеными Уфимского государственного авиационного технического университета и ОАО «Научно-исследовательский институт технологии» технология квазиизотермического дросселирования давления газа позволяет уменьшить снижение температуры газа, выпадение кристаллогидратов и образование конденсатных пробок. Она позволяет исключить энергетически затратное и неэффективное подогревающее оборудование. Решение данной проблемы, проведенное на экспериментально-идентификационном уровне, не позволяет производить разработку устройств квазиизотермического дросселирования для требуемой номенклатуры по расходно-эксплуатационным характеристикам.

Для проведения работ по разработке устройств на уровне современных технологий вычислительной техники необходима разработка методов расчета и проектирования квазиизотермических дросселирующих устройств на основе эффекта Ранка, что обуславливает актуальность поставленной задачи для моделирования и проектирования квазиизотермических устройств дросселирования газа. Таким образом, актуальность данной работы заключается в необходимости создания методики моделирования, включающую в себя методы численного моделирования и методы экспериментальных исследований для проектирования и разработки устройств, реализующих квазиизотермический процесс дросселирования давления газа.

Цель работы. Разработка методики моделирования квазиизотермического процесса дросселирования для проектирования газовой аппаратуры.

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1) разработка алгоритма формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) разработка системы математических уравнений для описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и смешанных граничных условий первого и второго рода;

3) проведение экспериментальных исследований и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа;

4) разработка методики моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Научная новизна

Новые научные результаты, полученные в работе:

1) алгоритм формирования проточной части и элементов вихревых устройств с учетом квазиизотермического процесса дросселирования давления газа;

2) система уравнений описания процесса квазиизотермического дросселирования давления газа со смешанными граничными условиями и учетом тепломассообмена стратифицированных потоков;

3) разработана и экспериментально проверена методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа с учетом тепломассообмена стратифицированных потоков и верификации модели.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет сократить временные затраты и повысить эффективность расчетных работ при проектировании дросселирующих устройств и сократить затраты на проведение расчетных, проектных работ и экспериментальных исследований.

Результаты исследований внедрены в следующих организациях:

1) ООО «Уфимский .завод нефтегазового оборудования» при проектировании устройств дросселирования, транспортировки и хранения нефтяных и газовых продуктов, в частности, при проектировании узлов учета попутного газа в местах нефтедобычи;

2) ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в виде конспекта лекций в рамках учебно-образовательного курса «Механика жидкости и газа».

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

1) корректном использовании методов верификации и идентификации, обосновывающих возможность реализации квазиизотермического процесса;

2) использовании апробированных и общепризнанных методов численного моделирования, соответствующих современному уровню;

3) использовании результатов большого объема экспериментальных исследований и сопоставлением с результатами теоретических исследований;

4) корректном использовании положений классической термодинамики и механики жидкости и газа.

В работе использованы экспериментальные материалы - результат десятилетних разработок и исследований вихревых аппаратов и дросселирующих устройств на их основе в УГАТУ.

Основание для выполнения работы

Работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований автора в период с 2007 года по настоящее время, выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» (ПГМ) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). В работу вошли результаты НИР, проведенные на кафедре ПГМ 1999-2011 гг., по проектам ФЦП «Интеграция» и хозрасчетным договорам с ОАС «НИИТ» по разработке квазиизотермических вихревых регуляторов давления газа с отделением несанкционированной влаги для газораспределительных станций и пунктов по заказу ОАО «Баштрансгаз» и ОАО «Тюменьмежрайгаз».

На защиту выносятся

1. Обоснование возможности реализации квазиизотермического процесса дросселирования давления газа, реализуемого за счет положительной обратной связи по тепловому контуру и внутреннего смешения стратифицированных потоков.

2. Математическая модель процесса квазиизотермического дросселирования газа и результаты численных исследований.

3. Результаты экспериментальных исследований и верификация математической модели.

4. Методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа на основе экспериментальных и численных исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертации были представлены на следующих международных и российских конференциях:

- Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2007, 2008, 2010, 2011 гг.;

- Международной научно-технической конференции «Студенты и аспиранты аэрокосмическому комплексу России», г. Геленджик, 2008 г.;

- XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г. Москва, 2008 г.;

- Международной научно-технической конференции «Решетневские чтения», г. Красноярск, 2009 г.;

- III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», г. Москва, 2010 г.;

- IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.;

- V Всероссийской школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике», г. Уфа, 2010 г.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 17 опубликованных работах, в том числе в 2-х статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, и патенте Российской Федерации № 2431883.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы; изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 53 иллюстрации, 3 таблицы; библиографический список включает 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Свистунов, Антон Вячеславович

Выводы

Проведены экспериментальные исследования и верификация квазиизотермического процесса дросселирования газа, подтвердившие наличие положительной обратной связи по тепловому контуру и ее влияние на внутренние процессы.

Анализ экспериментальных исследований дросселирования давления газа показал:

- при определенных условиях вихревого редуцирования газа возможно меньшее снижение температуры, чем при простом дросселировании;

- теоретическая зависимость выходной температуры от параметров газа на входе в регулятор и величины давления на выходе из него;

- определены эмпирические зависимости рабочего процесса дросселирования и учет влияния параметров газа на входе в регулятор и выходе из него;

- подтверждена возможность квазиизотермического редуцирования газа, в том числе и с повышением температуры газа на величину до +5 С.

Разработана методика моделирования квазиизотермического процесса дросселирования газа на основе экспериментальных и численных исследований, впервые учитывающая наличие положительной обратной связи по тепловому контуру и внутреннее смешение потоков.

Проведена верификация экспериментальных исследований, показавшая, что погрешность результатов составляет в среднем 6-12 %;

Разработанная методика позволяет рассчитать конструктивно-компоновочные параметры и выработать рекомендации по проектированию устройств дросселирования, реализующие квазиизотермический процесс на основе процесса дросселирования в вихревой трубе.