close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Температурные режимы многофазной струи и накопления углеводородов в куполе с учетом гидратообразования

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КИЛЬДИБАЕВА Светлана Рустамовна
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ МНОГОФАЗНОЙ СТРУИ И
НАКОПЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В КУПОЛЕ С УЧЕТОМ
ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
01.02.05 Механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
УФА, 2015
Работа выполнена в Стерлитамакском филиале Башкирского
государственного университета
доктор физико-математических наук,
Научный руководитель:
профессор Гималтдинов Ильяс
Кадирович
Официальные оппоненты:
Татосов Алексей Викторович,
доктор физико-математических наук,
доцент, зав. каф. математического
моделирования
Тюменского
государственного университета
Ишмуратов Тимур Ахмадеевич,
кандидат
физико-математических
наук, доцент кафедры физики и
математики филиала Уфимского
государственного
авиационного
технического университета в г.
Ишимбае
Ведущая организация:
Тюменский
филиал
Института
теоретической
и
прикладной
механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения РАН
Защита состоится «___» _________ 2016 г. в 14 часов на
заседании диссертационного совета Д.212.013.09 при Башкирском
государственном университете по адресу: 450076, г. Уфа, ул.
З.Валиди, 32, ауд. 216.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
Башкирского
государственного
университета
www.bashedu.ru/dissovets.
Автореферат разослан «___» _________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор
Ковалева Л.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Течение затопленных струй на
дне океана может возникнуть вследствие причин как естественного,
так и техногенного характера (повреждение скважины, разрыв
трубопровода и т.п.). В случае возникновения аварийной ситуации и
истечения углеводородов (нефти и газа) в водоем важно
спрогнозировать динамику струи, определив траекторию, ее
кинематические
и
теплофизические
характеристики.
При
исследовании струи важно учесть процесс гидратообразования,
который влияет на характер распространения струи.
При разливах углеводородов на дне океана необходимо
устранить экологические последствия; один из способов – установка
купола для сбора углеводородов непосредственно над местом утечки.
Поступающие в купол нефть и газ накапливаются и сепарируются
внутри купола, затем откачиваются для дальнейшего использования.
Образование и накопление гидратов в куполе вызывает осложнение
при работе таких устройств, поэтому важно разрабатывать модели
накопления углеводородов в куполе с учетом гидратообразования.
Целью диссертационной работы является исследование
многофазных затопленных струй с учетом гидратообразования и
накопления углеводородов (нефти, газа и гидрата) в куполе.
Для достижения цели поставлены и решены следующие
задачи:

развитие математической модели многофазной затопленной
струи с учетом гидратообразования;

создание
математических
моделей
накопления
и
транспортировки нефти и газа в куполе на дне океана для ликвидации
последствий аварии в подводном нефтепроводе;

исследование миграции капель нефти в куполе;

создание экспериментальной установки для исследования
струи и накопления дизельного топлива в куполе-сепараторе.
Методы исследования. Для получения научных результатов в
диссертационной работе использованы методы и подходы,
применяемые в области механики сплошной среды.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Развитие интегрального лагранжевого метода контрольного
объема (ИЛМКО) для расчета траектории, радиуса, плотности,
температуры и объемных содержаний компонентов струи в случае
3
образования гидрата на поверхности газового пузырька с учетом двух
предельных схем гидратообразования.
2. Математическая модель накопления углеводородов в куполе.
3. Теоретическая модель миграции капель нефти в куполе,
наполненном раствором спирта. Оценка максимального значения
объемной доли нефти, которая может быть собрана куполом.
4. Результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна исследований, проведенных в работе,
заключается в следующем:
1. Развит метод ИЛМКО для моделирования затопленных струй
с учетом формирования гидратных оболочек на газовых пузырьках
для двух предельных режимов гидратообразования. Исследовано
влияние процесса образования гидрата на характеристики струи.
2. Впервые разработана математическая модель процесса
накопления нефти, газа и гидрата в куполе. Исследовано изменение
температуры слоев газа и нефти внутри купола с течением времени.
3. Предложена математическая модель процесса миграции
капель нефти в куполе, наполненном раствором спирта. Произведена
оценка максимального значения объемного содержания нефти в
куполе, больше которого нефть из струи не может проникнуть в
купол.
Обоснованность и достоверность результатов работы
следуют из применения при разработке математических моделей
фундаментальных уравнений механики; получения решений, не
противоречащих общим термодинамическим представлениям и в
некоторых частных случаях согласующихся с результатами других
исследователей; а также количественного и качественного
согласования с результатами экспериментов.
Практическая
значимость.
Полученные
результаты
расширяют знания о распространении затопленных струй, режимах
накопления газа, нефти и гидрата внутри купола. Кроме того,
исследован особый режим накопления углеводородов в куполе,
исключающий проникновение гидрата в купол.
Апробация работы. Основные положения диссертации
докладывались и обсуждались во Всероссийской школе-конференции
молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в
естественных науках» (Пермь, 2013), на Всероссийской научнопрактической
конференции
с
международным
участием
«Математическое моделирование процессов и систем» (Стерлитамак,
4
2013, 2014, 2015), Summer workshop «Dynamics of dispersed systems»
(Уфа, 2014), на 4 Международной конференции «Математическая
физика и еѐ приложения» (Самара, 2014), в Международной школеконференции
студентов,
аспирантов
и
молодых
учѐных
«Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»
(Уфа, 2014), на 11 Всероссийском съезде по фундаментальным
проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015), на
семинаре Института механики им. Р.Р. Мавлютова УНЦ РАН
(научный руководитель – директор института, заведующий
лабораторией «Механика многофазных систем», д.ф.-м.н., проф.
Урманчеев С. Ф.), на семинаре кафедры теоретической физики
Стерлитамакского
филиала
Башкирского
государственного
университета (научный руководитель – д.т.н., проф. Филиппов А. И.).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации
изложены в 19 статьях, опубликованных в журналах и научных
сборниках, из них 5 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК.
Благодарность. Автор выражает глубокую признательность
д.ф.-м.н., профессору, академику АН РБ Шагапову В.Ш. и
техническому директору ООО НПФ «Политехника» Барышеву И.Г. за
внимание к работе и обсуждение результатов.
Результаты исследований, представленных в диссертации,
проводились
при
поддержке
гранта
РФФИ
14-01-97032
р_поволжье_а.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация
состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и списка
литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 144
листа. Работа содержит 73 иллюстрации. Список литературы
содержит 119 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выполненной научной
работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены
научные результаты, выносимые на защиту, указана научная новизна
и практическая значимость диссертационного исследования.
В первой главе приведены сведения о затопленных струях, обзор
по теоретическим и экспериментальным работам по затопленным
струям (Абрамович Г.Н., Гиневский А.С., Вулис Л.А., Гуревич М.И.,
Журбас В.М., Zheng L., Yapa P.D., Chen F.H., Johansen O., Socolofsky
S.A.). Также приведены краткие сведения о газовых гидратах и
5
механизмах гидратообразования (Макогон Ю.Ф., Истомин В.А.,
Якушев В.С., Бондарев Э.А., Цыпкин Г.Г., Шагапов В.Ш.,
Хабибуллин И.Л., Мусакаев Н.Г., Кэрролл Дж., Rehder G., Sloan E.D.).
Во второй главе проведено экспериментальное и теоретическое
исследование многофазной затопленной струи. Для исследования
траектории струи создана установка: на дне аквариума закреплено
сопло, через которое подается бензин или дизельное топливо при
помощи электрического насоса малой мощности. Для определения
температуры струи на различных расстояниях от сопла закреплены
термопары, подключенные к 8-канальному модулю аналогового ввода
ADAM, транслирующего показания термопар на компьютер для
обработки результатов. В результате проведенного эксперимента
показано, что с увеличением вертикальной координаты происходит
уменьшение температуры струи.
Во второй главе также сформулирована математическая модель
затопленной струи, описывающая течение смеси нефти и газа. Пусть
на дне водоема из скважины с известной начальной температурой T e
и объемными расходами Qoe и Qge вытекает смесь нефти и газа
(метана). Также известны температура Tw и скорость окружающей

воды Vw . В основе математической модели лежит интегральный
лагранжевый метод контрольного объема1 (ИЛМКО), согласно
которому струя (рис. 1 а) состоит из контрольных объемов (КО),
имеющих высоту h, радиус b, а также координаты x, y, z. Примем, что
пузырьки газа занимают центральное ядро КО, а траектория газового
пузырька и газового ядра совпадают. При наличии достаточно
сильного течения внешней среды струя искривляется, и происходит
отделение пузырьков от струи.
Уравнение сохранения масс для КО запишется в виде:
dM
(1)
 wQw  comQ f , M   b2 h ,   i i ,  i  1 ,
dt
i
i
здесь M – масса КО; Qw – объемный поток вовлеченной в струю
окружающей воды; Q f  Qg  Qh – объемный поток, вытекающий из
1
P.D Yapa, L. Zheng Simulation of oil spills from underwater accidents I: Model
development // Journal of Hydraulic Research. – 1997. – V. 35, № 5. – P. 673-688.
6
КО,

3
com  ag3  g   agh
 ag3   h

3
agh
–
плотность
композитного
пузырька с гидратной оболочкой,  i и  i (i=o, g, h, w) – объемные
содержания и плотность компонентов в КО, agh и ag – радиусы
композитного пузырька и газового ядра. Нижние индексы o, g, h, w
относятся к параметрам нефти, газа, гидрата и воды.
Рис. 1. Схема затопленной струи (а) и контрольного объема (б)
Уравнения сохранения импульсов для КО имеют вид:
d
d
( Mu )  uw  wQw  u com Q f ,
( M  )   w  wQw  com Q f ,
dt
dt
d
 M w  M o  w   M g  M h    w  wb    ww  wQw   w  wb  com Q f (2)

dt 
2
   w  l   b h  w   o  g    w  com   b 2 h  g   h  g ,








где V  ui   j  wk и Vw  uwi  w j  wwk – скорость КО (рис. 1 б)
и окружающей воды, wb – скорость относительного движения
пузырьков, l   w w   o o – плотность жидкой составляющей в
КО, M i (i=o, g, h, w) – масса компонентов КО.
Уравнение сохранения энергии КО имеет вид:
d
(3)
 cMT   cwTw wQw  J h L  J w cwThs ,
dt
7
где T , Tw , Ths – температура КО, окружающей воды и равновесная
температура гидратообразования, c – теплоемкость смеси в КО.
Интенсивности расходов газа, воды и гидрата связаны
следующими соотношениями:
2
J g  G  J h , J w  1  G  J h , J h  N 4 agh
jh ,
где N – количество пузырьков в КО, jh – интенсивность
образования гидрата, отнесенная к единице площади поверхности
пузырька, G – массовая доля газа в составе гидрата.
Объемный расход вовлеченной окружающей воды в КО:
1


0.554sin  



,
Qw  2 bh V  Vw ,   2  0.057 
1

5
V
V

V
w
w

E 2 Fr 2 


1/ 2
где  – коэффициент вовлечения, Fr  V  Vw   gb  w 
–


число Фруда, Vw – проекция Vw на направление V ,    w   .
Таким образом, полагая, что КО движется вдоль центральной

линии струи с известными параметрами и высота КО h  V  t , где


t – шаг по времени, по (1)-(3) и дополнительным соотношениям
рассчитываются все параметры струи.
Для процесса образования гидрата на поверхности пузырька газа
рассмотрены две предельные схемы гидратообразования 2 Согласно
первой схеме полагается, что газогидратная корка является
достаточно рыхлой, и диффузионного сопротивления на процессы
переноса не оказывает. Следовательно, интенсивность образования
гидрата на поверхности пузырька лимитируется отводом тепла
окружающей водой:
jh  qls L ,
где qls – интенсивность теплообмена между композитным пузырьком
и водой. Согласно второй схеме процесс гидратообразования
лимитируется диффузией метана через гидратную корку:


2
jh   D* g  G 1 / ag  1 / agh  agh
,
2
Шагапов В.Ш., Чиглинцева А.С., Русинов А.А. О механизмах роста
гидратной оболочки на поверхности всплывающих газовых пузырьков //
Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. –
2015. – № 3. – С. 73-86.
8
где D * =10-10 м2/с – коэффициент диффузии.
На рис. 2 а приведена фотография эксперимента и расчетная
линия, полученная ИЛМКО. Видно, что есть удовлетворительное
соответствие расчетных и экспериментальных значений. На рис. 2 б
приведено изменение по вертикальной координате z температуры
струи, видно, что с увеличением z происходит уменьшение
температуры струи из-за вовлечения более холодной окружающей
воды. Отметим, что показания термопар и расчетные данные
температуры
струи
качественно
согласуются.
Разница
экспериментальных и расчетных данных обусловлена тем, что
термопары измеряют максимальное значение температуры в центре
струи, а расчетные данные соответствуют усредненной температуре в
КО.
а)
б)
Рис. 2. Траектория струи (а) и изменение по вертикальной
координате температуры струи (б): сплошная линия соответствует
результатам расчета, точки – показаниям термопар с учетом
o
o
o
погрешности, R=0.0025 м, T e =50 C, Tw =18 C, w =1000 кг/м3,  =0 ,
o
 =90 , Qoe =1.09 105 м3/с и  o =760 кг/м3 (бензин, 2 а), Qoe =1.42 105
3
м /с и  o =810 кг/м3 (дизельное топливо, 2 б).
На рис. 3 а представлено изменение по вертикальной координате
температуры струи для случая образования газогидратов.
Температура струи понижается за счет вовлечения окружающей воды
с температурой Tw  4C . На некоторой высоте температура струи
9
достигает значения равновесной температуры гидратообразования, и
на поверхности пузырьков начинает образовываться гидрат. В случае,
когда образование гидратной оболочки на поверхности пузырьков
лимитируется процессом теплообмена с окружающей средой, темп
уменьшения температуры струи замедляется, что связано с
выделением тепла при образовании гидрата. Этот эффект
продолжается до высоты 10 м, после чего гидратообразование
завершается, т.к. весь газ переходит в состав гидрата. Разница
температур струи в зависимости от начальных параметров для двух
предельных схем гидратообразования может достигать 10 o С .
Рис. 3. Зависимости температуры струи (а) и объемных
содержаний (б) от вертикальной координаты z. Линии 1 и 2 (а)
соответствуют первой и второй схеме гидратообразования,
вертикальная штриховая линия на фрагменте (а) соответствует
температуре гидратообразования. Цифры 1, 2, 3, 4 на фрагменте б)
соответствуют нефти, газу, гидрату и воде; R=0.1 м, Qoe =0.3 м3/с,
Qge =0.7 м3/с, Tw =4  С, T e =80  С, p=15 МПа, w =1030 кг/м3,  o =650
кг/м3,  g =99.2 кг/м3,  =90  ,  =0  , Vw=0 м/с, L  5 105 Дж кг .
На рис. 3 б приведена зависимость объемных содержаний
компонент КО от вертикальной координаты для случая, когда
процесс гидратообразования происходит согласно первой схеме. Из
рис.3 б видно, что объемное содержание газа и нефти уменьшается, а
воды – увеличивается в связи с процессом вовлечения воды в струю.
10
В результате исследования влияния поперечного течения на
динамику струи для случая образования гидратов, установлено, что
интенсивность сепарации композитных пузырьков из струи при
наличии течения окружающей воды зависит от интенсивности
образования гидрата на поверхности пузырьков: чем больше скорость
образования гидрата, тем меньше интенсивность отделения
пузырьков.
В
третьей
главе
исследуется
процесс
накопления
углеводородов в куполе. Для исследования накопления дизельного
топлива в куполе была собрана экспериментальная установка: на
некоторой высоте от источника струи устанавливается купол из
пластика. В куполе некоторый объем занимает газ с толщиной слоя
hg. Предварительно нагретое дизельное топливо поступает из сопла и
накапливается внутри купола. С момента времени t* оно откачивается
через трубку. Для определения температуры в слоях дизельного
топлива, газа и воды установлены термопары. В результате
проведенного эксперимента определена зависимость температуры
слоев газа и дизельного топлива от времени.
Для случая образования гидрата рассмотрен поэтапный процесс
установки купола (рис. 4). Будем полагать, что купол сделан из
полиуретановой оболочки имеет форму цилиндра.
Рис. 4. Схема процесса установки купола: 1 – купол, 2 –
фиксаторы, 3 и 4 – трубки для откачки газа и нефти; zgh, zho, zow –
координаты раздела слоев: газ - композитные пузырьки, композитные
пузырьки - нефть, нефть-вода.
Приведенная схема расслоения углеводородов в куполе на рис. 4
б) соответствует второй схеме образования гидратов. Так как в этом
случае плотность композитных пузырьков меньше плотности нефти,
11
то справедливо соотношение h  o  w , где  i (i=h,o,w)
соответственно плотность слоя композитных пузырьков, нефти и
воды. При достижении накопленных углеводородов высоты h1* , в
куполе начинает накапливаться газ. C момента времени t*
подключаются трубки (рис. 4 в), и начинается откачка нефти и газа с
объемными расходами, равными объемным расходам нефти и газа,
поступающих в купол из струи.
Законы сохранения масс для слоев газа, композитных пузырьков
и нефти в куполе имеют вид:
dM g
dM h
dM o
 mg  mg ,
 mh ,
 mo  mo , mh  com Qge ,
dt
dt
dt
0,
t
 t*

0, t  t *

mg   g Qge , mo  o Qoe , mg  
, mo  
,
e
e
 o Qo , t  t *
  g Qg , t  t *
здесь M i – масса i-го компонента в куполе; mi и mi – массовый
расход i-го компонента поступающего в купол и откачиваемого через
трубку.
Пренебрегая потерями тепла через стенки купола, законы
сохранения энергии для слоев нефти и газа запишутся в виде:
dU o
  Sd qho  Sd qow  co moTo  co moTo , U o  co M oTo ,
dt
dU g
 Sd qgh  cg mgTg  cg mgTg , U g  cg M g Tg ,
dt
здесь To и Tg – температуры нефти и газа, поступающие в слой из
струи, Sd – площадь сечения купола, qgh  g Tg  Th 
 g g –
тепловой поток между слоями газа и композитных пузырьков,  g –
 g – характерное время
отсчитываемая с начала накопления слоя газа. Аналогично
qow   w To  Tw  o o
и qho  o To  Ths   o o – тепловые
потоки между слоями нефти и воды, композитных пузырьков и
нефти.
На рис. 5 а показаны зависимости толщин слоев нефти (1), газа
(2) и композитных пузырьков (3) внутри купола от времени. На рис. 5
б представлена зависимость температур слоев нефти (1), газа (2),
коэффициент
теплопроводности
12
газа;
композитных пузырьков (3) от времени. Будем полагать, что
температура слоя композитных пузырьков постоянна и равна
равновесной температуре гидратообразования. Из рис. 5 б видно, что
температуры слоев нефти и газа внутри купола с течением времени
стремятся к температуре нефти и газа, поступающих из струи на
данной высоте.
Рис 5. Зависимость толщин (а) и температур (б) слоев нефти,
газа и композитных пузырьков от времени для гидратообразования;
H=8 м, R=2 м, Qoe =0.7 м3/с, Qge =0.3 м3/с, Tw =4 oС, T e =80 oС.
В четвертой главе рассматривается случай, исключающий
накопление гидрата внутри купола. Будем полагать, что купол
заполнен раствором спирта и зафиксирован так, что нижнее
основание купола находится от места истечения нефти и газа на
высоте h1, на которой пузырьки газа полностью превращаются в
гидратные частицы. Нижнее основание купола открыто для
накопления нефти, верхнее – закрыто. Положим, что плотности
нефти o , раствора спирта  a и гидрата  h удовлетворяют условию
o  a  h . Согласно этому, после открытия нижнего основания
купола капли нефти из струи будут проникать в купол, а частицы
газового гидрата вместе с вовлеченной водой будут «омывать»
нижнее основание купола. При этом полагаем, что нефть не
смешивается с раствором спирта, а в конструкции купола есть
устройства, которые поддерживают необходимую концентрацию
раствора спирта в куполе.
13
Пусть n – число капель нефти в
единице объѐма, o – скорость
капель.
Дроблением
и
слипанием
капель
будем
пренебрегать. Так как в куполе
происходит
противоточное
движение, т.е. капли движутся
вверх, а раствор спирта из-за
«вытеснения» каплями нефти –
вниз, тогда: o  wo  a , где wo
– скорость миграции капель
нефти относительно раствора
спирта, a – скорость раствора
спирта.
Рис.6. Схема купола: серыми
кружками обозначены капли
нефти
Уравнение сохранения числа капель нефти запишется в виде:
n no

0.
t
z
Уравнения сохранения масс для нефти и раствора спирта3:
 1    a  1    a a
o o o

0 ,

0,
t
z
t
z
где   4 3 ao3 n – объемное содержание капель нефти, ao – радиус
капли нефти.
Уравнения импульсов для капель нефти и раствора спирта в
безынерционном приближении могут быть записаны в виде:
p
p
   nf  o g  0,
 1     nf  1    a g  0.
z
z
Сила сопротивления f с учетом деформации капель нефти C 4:
3
Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч.2. – М.: Наука, 1987. –
360 с.
4
Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в
дисперсных системах. – Л.: Химия, 1977. – 280 с.
14
f  C  a  wo   ao2 2 .
2
Изменение температуры раствора спирта происходит за счет
температурного следа капель нефти, изменение температуры капель
нефти за счет нагревания в растворе спирта:
T 
T 
 T
 T
a ca 1     a  a a    nQ, o co   o  o o   nQ, Q  4ao2 q,

t

z

t
z 



где Ta и ca – температура и теплоемкость раствора спирта; Q –
интенсивность источника тепла, отнесенная на единицу объема, q –
интенсивность источника тепла, отнесенная на поверхность капли.
Скорость дрейфа капель с учетом стесненности5:
wo  wd   1     ,
1
где wd – скорость миграции одной капли нефти относительно
раствора,      m – коэффициент неодиночности частиц, m=3.
Запишем условие баланса масс для нефти и раствора спирта на
подвижной границе:
o   wo  a  zs   o  0  zs  ,
a 1    a  zs   0,
где zs  dzs dt . Из этих выражений следует, что:
a  zs , a  wo , o  wo  a  1    wo .
Интенсивность теплового потока между раствором и
поверхностью капли:
q  (Ta  To ) ,    a Nu 2ao , Nu  2  0.46Re0.55 Pr0.3 , Pr  a ca  a ,
где Pr и Nu – приведенные числа Прандтля и Нуссельта;  a –
коэффициент теплопроводности для раствора спирта.
Оценим максимальное значение интенсивности поступления
капель нефти в купол. Интенсивность поступления нефти в купол:
J  oo S ,
с учетом o  1    wo получим, что критическое значение объемной
доли нефти, при котором максимум нефти будет поступать в купол
*  0.5 .
5
Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч 1.–М.:Наука,1987. – 464 с.
15
На рис. 7 представлено изменение по вертикальной координате
температуры капель нефти и концентрации капель (a), а также
температуры слоя раствора спирта (б) для процесса всплытия капель
нефти в слое раствора спирта. Из графиков следует, что при
фиксированном
массовом
расходе
нефти
со
временем
устанавливается некоторая квазистационарная картина в виде волны
типа «ступенька» для концентрации капель и температуры раствора
спирта. Мигрирующая часть волн представляет собой поток капель
нефти. Температура в волне достигает значения To=Ta=311 K, т.е.
происходит нагрев капель нефти и охлаждение слоя раствора спирта.
Поскольку в куполе реализуется противоточное движение,
«информация» о начальной температуре капель нефти не передается
«внутрь» купола.
В заключении кратко сформулированы результаты, полученные
в диссертации.
Рис. 7. Изменение по вертикальной координате температуры капель
нефти и концентрации капель (a), температуры слоя раствора спирта
(б). Цифрами обозначены моменты времени: 1 – 500 с, 2 – 1000 с, 3 –
1375 с. Параметры расчета: H=12 м, To0=277 K, Ta0=327 K, ao =10-3 м,
 0 =0.4,  h =910 кг/м3,  a =810 кг/м3, o =650 кг/м3, a =0.167 Вт/(м
К), co =1670 Дж/(кг К), ca =4200 Дж/(кг К).
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В ходе исследований, выполненных в диссертационной работе,
получены следующие основные результаты:
1. Развит интегральный лагранжевый метод контрольного
объема для исследования многофазных затопленных струй с учетом
двух предельных схем гидратообразования. Согласно первой схеме
скорость формирования гидрата на поверхности пузырьков
лимитируется интенсивностью отвода тепла, выделяющегося в
процессе гидратообразования, согласно второй схеме интенсивность
фазовых переходов лимитируется диффузией газа через гидратную
оболочку.
2.
С
использованием
разработанной
и
созданной
экспериментальной установки для измерения радиуса и температуры
струи, слоев газа и дизельного топлива, накопленных в куполе,
произведено сравнение экспериментальных и расчетных данных,
получено удовлетворительное совпадение.
3. Анализ результатов численного моделирования для
многофазных затопленных струй показал, что:
 в случае формирования гидратных оболочек на газовых
пузырьках согласно первой схеме темп уменьшения температуры
струи замедляется, что связано с интенсивным выделением тепла при
образовании гидрата. При увеличении начального объѐмного
содержания газа в смеси нефти и газа до единицы, при остальных
одинаковых параметрах системы разница температур струи для двух
предельных схем гидратообразования может достигать 10 o С ;
 интенсивность отделения пузырьков от струи при наличии
течения окружающей жидкости зависит от интенсивности
образования гидрата на поверхности пузырьков, и чем больше
скорость образования гидрата (соответственно больше усредненная
плотность газогидратных пузырьков), тем меньше интенсивность
отделения пузырьков.
4.
Разработана
математическая
модель
наполнения
углеводородами купола, расположенного на дне океана, для двух
предельных схем гидратообразования, принятых в диссертации.
Установлено, что для случая формирования гидратных оболочек на
газовых пузырьках, лимитируемого диффузией газа через гидратную
оболочку, пузырек не успевает полностью превратиться в гидратный
и вследствие стратификации слой гидратных пузырьков
накапливается между слоями газа и нефти.
17
5. В случае миграции капель нефти в куполе, наполненном
предварительно нагретым раствором спирта, при фиксированном
массовом расходе нефти со временем устанавливается некоторая
квазистационарная картина в виде волны типа «ступенька» для
концентрации капель и температуры раствора спирта. Показано, что
существует предельное значение объемного содержания капель нефти
в куполе, выше которого часть нефти из струи не будет попадать в
купол.
По теме диссертации опубликованы следующие работы
В изданиях из перечня ВАК
1. Гималтдинов И.К., Кильдибаева С.Р. К теории начального
этапа накопления нефти в куполе-сепараторе // Теплофизика и
Аэромеханика. – 2015. – Т.22, №3. – С. 401-406.
2. Гималтдинов И.К., Кильдибаева С.Р. Математическая модель
купола, предназначенного для устранения утечек углеводородов //
Нефтегазовое дело. – 2014. – № 4. – С. 104-112.
3. Кильдибаева С.Р. Моделирование процесса всплытия
гидратных частиц в куполе [Электронный ресурс] // Современные
проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. – Режим доступа:
http://www.science-education.ru/117-13063.
4. Кильдибаева С.Р. Моделирование купола-сепаратора при
разливе нефти в шельфе // Фундаментальные исследования. – 2013. –
№ 10 (часть 5). – 2013. – С. 1045-1050.
5. Гималтдинов И.К., Кильдибаева С.Р., Ахмадеева Р.З. Расчет
теплофизических и кинетических параметров затопленной струи //
Фундаментальные исследования. – 2013. – № 11 (часть 7). – 2013. – С.
1323-1327.
Свидетельства о государственной регистрации программ для
ЭВМ
6. Программа ЭВМ «OilAndGasInDome» для моделирования
накопления нефти и газа в куполе: свидетельство о регистрации
электронного ресурса / С.Р. Кильдибаева, И.К. Гималтдинов, В.Ш.
Шагапов // ИНИПИ РАО ОФЭРНиО. № 20588, дата рег. 4.12.2014.
7. Программа ЭВМ «OilAndGasMigrationInSubmergedJet» для
моделирования затопленной струи: свидетельство о регистрации
электронного ресурса / С.Р. Кильдибаева, И.К. Гималтдинов, В.Ш.
Шагапов // ИНИПИ РАО ОФЭРНиО. № 20569, дата рег. 4.12.2014.
18
В других изданиях
8. Кильдибаева
С.Р.
Математическое
моделирование
наполнения купола-сепаратора нефтью // Фундаментальная
математика и ее приложения в естествознании: материалы VI
международной школы-конференции для студентов, аспирантов и
молодых ученых (Уфа, 9-13 октября 2013 г.), Т. 2. Физика. – Уфа:
РИЦ БашГУ, 2013. – С. 102-107.
9. Кильдибаева С.Р., Гималтдинов И.К. Математическая модель
наполнения купола-сепаратора нефтью и газом // Динамика
многофазных сред: материалы XIII всероссийского семинара
(Новосибирск, 8-10 октября 2013 г.). – Новосибирск. – С.70-72.
10. Кильдибаева С.Р., Гималтдинов И.К., Хасанов М.К.,
Столповский М.В. Накопление газогидратной пены внутри купола
под водой // Газовые гидраты в экосистеме Земли`2014: программа и
тезисы докладов конференции. – Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2014. –
С. 24.
11. Kildibaeva S.R., Gimaltdinov I.K. Accumulation of gas hydrate
foam inside dome under water // Dynamics of dispersed systems: book of
abstracts of summer workshop. – Ufa, 2014. – P. 15.
12. Гималтдинов И.К., Кильдибаева С.Р. К теории всплытия
капель нефти в куполе // Математическая физика и еѐ приложения:
материалы 4 международной конференции – Самара: СамГТУ, 2014.
– С.116-117.
13. Кильдибаева, С.Р. Модель всплытия пузырьков метана в
толще воды с учетом образования гидратной корки // Мавлютовские
чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. в 5
т. Том 5/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2014. – C. 5859.
14. Кильдибаева С.Р., Гималтдинов И.К. Математическая модель
многофазной затопленной струи [Электронный ресурс] //
Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – Режим
доступа: http://research-journal.org/?p=6961.
19
КИЛЬДИБАЕВА Светлана Рустамовна
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ МНОГОФАЗНОЙ СТРУИ И
НАКОПЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В КУПОЛЕ С УЧЕТОМ
ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
01.02.05 Механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Формат 60 × 841/16.
Гарнитура "Times".
Печать оперативная.
Усл. печ. л. 1,00.
Тираж
экз.
Заказ № ____
Отпечатано в полиграфическом участке
Стерлитамакского филиала
Башкирского государственного университета:
453103, г. Стерлитамак, пр. Ленина, 49.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
27
Размер файла
869 Кб
Теги
режим, накопления, многофазных, гидратообразования, углеводороды, струй, купол, температурных, учетом
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа