CC BY
79
DOI: 10.15593/2224-9982/2015.43.04 УДК 62-98
Ю.М. Ахметов, Р.Р. Калимуллин, Е.М. Яминова
Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия
ВЛИЯНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫХ ТРУБОК ПЕРЕПУСКА НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВИХРЕВОГО РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ
Рассматривается актуальная проблема численного моделирования процессов температурной стратификации в квазиизотермическом вихревом регуляторе при дросселировании природного газа. В пакете прикладных программ вычислительной гидродинамики SolidWorks Flow Simulation выполнено прямое численное моделирование движения потока газа по тракту вихревой трубы. Для проверки адекватности решения проведена верификация результатов численного моделирования с экспериментально полученными характеристиками вихревого регулятора давления магистрального газа. Представлены уравнения математической модели течения газа, позволяющие описать процессы, протекающие в проточной части устройства, реализующего процесс дросселирования давления газа. Визуализировано направление течения потоков газа в наружном и внутренних контурах квазиизотермического вихревого регулятора давления и определена структура и характер взаимодействия вихревых потоков. Исследованы процессы течения высоконапорных вихревых потоков в проточном тракте изотермического регулятора с учетом переменной геометрии и взаимовлияния элементов. Показано влияние периферийных трубок перепуска, перебрасывающих часть «горячего» газа в задиафрагменную зону проточной части, на температурные характеристики регулятора давления. Приведены результаты численного моделирования и рассмотрены параметры выходного потока газа для различных вариантов конструктивного исполнения регулятора давления газа.
Ключевые слова: вихревая труба, вихревой регулятор, численное моделирование, дросселирование, природный газ, математическая модель, газодинамика.
Yu.M. Akhmetov, R.R. Kalimullin, E.M. Yaminova
Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation
THE INFLUENCE OF PERIPHERAL BYPASS TUBES ON TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF THE ISOTHERMAL VORTEX PRESSURE REGULATOR
The article considers the actual problem of a numerical simulation of a temperature stratification in the quasi-isothermal vortex regulator during throttling of the natural gas. It is performed a direct numerical simulation of gas flow over path of the vortex tube by application of CFD SolidWorks Flow Simulation. To check the adequacy of the solutions the verification of numerical simulation results with experimentally obtained characteristics of the vortex pressure regulator of main gas is performed. The equations of the mathematical model of gas flow describing the processes in the flow path of the device
throttling gas pressure are presented. The direction of gas flows in the external and internal contours of the quasi-isothermal vortex pressure regulator is visualized. The structure and nature of the interaction of vortex flows are determined. It is investigated the process of the high-pressure vortex flows in the stream duct of the isothermal controller considering variable geometry and interaction elements. The influence of peripheral bypass tubes transferring a portion of the hot gas in area behind the diaphragm of the flow part on the temperature characteristics of the pressure regulator is shown. The results of numerical simulation are presented and the parameters of the output gas flow are considered for different variants of embodiment of the gas pressure regulator.
Keywords: vortex tube, vortex regulator, numerical simulation, throttling, natural gas, mathematical model, gas dynamics.
При транспортировке газа от магистрального трубопровода к потребителям его подвергают неоднократному редуцированию. Обычно снижение давления (редуцирование) газа производится путем его дросселирования через узкие сечения редукционных устройств, где потенциальная энергия расходуется на трение и преодоление сопротивления тракта и безвозвратно рассеивается в окружающем пространстве. При этом температура газа снижается вследствие эффекта Джоуля-Томсона, что может привести к обмерзанию трубопроводов и газораспределительной аппаратуры. Существующие системы дросселирования давления и регулирования расхода газа предусматривают введение различных устройств для компенсации снижения температуры (подогрев газа от постороннего источника тепла) [1].
Проведенные исследования ОАО «НИИТ» совместно с УГАТУ позволили разработать принцип дросселирования давления газа, позволяющий получить снижение давления практически без снижения температуры, а в определенной области перепадов давлений - с некоторым увеличением температуры. Разработанный принцип основан на использовании эффекта температурной стратификации (температурного разделения) при течении газа в вихревых аппаратах типа вихревых труб [2-5]. Установка изотермического вихревого регулятора давления газа исключает необходимость применения установок для искусственного подогрева природного газа на газораспределительных пунктах (ГРП) и значительно снижает экономические затраты при транспортировке газа. Учитывая то, что в магистралях, транспортирующих природный газ, с целью увеличения пропускной способности постоянно повышается уровень давления, резко возрастает потребность отработки мероприятий, обеспечивающих квазиизотермический процесс на более высокие давления. Таким образом, возрастает актуальность решения данной проблемы на уровне численно-расчетных исследований
с выработкой мероприятий для физического моделирования и практической реализации.
Основной задачей исследования является численное моделирование процессов течения газа в изотермическом регуляторе с учетом переменной геометрии и взаимовлияния элементов.
Для разработки твердотельной модели (рис. 1) использовался пакет прикладных программ SolidWorks, твердотельная модель представляет собой сборку, аналогичную реальному объекту, выполненную в соответствии с действительными особенностями проточной части и конструктивным исполнением.
Наиболее значимыми из участков проточной части устройства дросселирования, реализующего процесс квазиизотермического дросселирования, необходимых для разработки твердотельной модели численного моделирования, являются: винтовая головка; камера энергетического разделения - вихревая труба; устройство торможения потока; камера торможения с учетом площади теплообмена «горячего» заторможенного потока со стенками винтовой головки; устройство возврата потока; диафрагма на выходе из устройства дросселирования; устройство, реализующее перепуск разогретого потока в задиафрагменную область регулятора с попутным подогревом стенок камеры дросселирования.
Устройство
поворота и перепуска
горячего потока газа
Вход газа
Рис. 1. Твердотельная модель вихревого регулятора давления газа
Расстановка граничных условий на созданной модели позволяет задать системе определенные свойства. Отсутствие теплообмена с окружающей средой при задании внешним стенкам адиабатических свойств, способность стенки проводить тепло при задании внутрен-
ним стенкам свойства реальной стенки позволяют задать системе параметры теплообмена. Выбор сжимаемой среды позволяет более детально определить параметры сопряженного теплообмена между жидкой и твердой стенками [6].
Математическое описание геометрии системы содержится в твердотельной геометрии объекта (см. рис. 1), а описание процессов, протекающих в самом объекте, содержится в математической модели этих процессов. Система уравнений математической модели, составляемая аппаратом программного комплекса Flow Simulation, после расстановки граничных и начальных условий будет включать в себя [7, 8]:
- уравнение неразрывности
(pu"' ). = 0; (1)
- уравнение движения
pu'u' = (2^e" -3- pg").; (2)
уравнение энергии
PCpUВ = u& + g'(£), -3"
(3)
Верхние индексы обозначают контравариантные, а нижние - ко-вариантные составляющие соответствующих тензоров; индекс «запятая» внизу обозначает выполнение ковариантного дифференцирования по соответствующей координате; в'] - контравариантные составляющие тензора скоростей деформации,
е = 2 ( + яЩ), (4)
¡к
где я - контравариантные составляющие метрического тензора; р - коэффициент вязкости; X - коэффициент теплопроводности; ср - коэффициент удельной теплоемкости при постоянном давлении;
р - плотность; ы' - контравариантная составляющая вектора скорости; Т - температура; р - давление.
Для описания термогазодинамических характеристик турбулентных течений в квазистационарной поставке уравнения математической
модели из классической формы преобразуются методом Рейнольдса и записываются в тензорном виде [9].
При численных расчетах турбулентных течений система уравнений движения среды дополняется моделями турбулентности, позволяющими рассчитать значения турбулентных добавок, входящих в эти уравнения. В решении данной задачи используется к-е-модель турбулентности. Ее выбор обусловлен соответствием по затратам счетного времени и широко известным приложениям [10].
Объемная сетка создавалась в программном продукте FlowSimu-Ыюп. В процессе расчета была создана сетка со следующими параметрами: размер минимальной ячейки 0,1x0,1x0,1 мм; количество ячеек к = 1245 912. Дополнительно в расчетной сетке в областях с максимальными градиентами скорости и давления применялось локальное измельчение сетки, что позволяет более качественно отразить характер процессов. Измельчение использовалось в области за срезом вводного сопла, в области за диафрагмой и на тормозящем устройстве [6]. Пример области с измельчением представлен на рис. 2.
Рис. 2. Локальное измельчение расчетной сетки
Для проверки адекватности численного моделирования было рассчитано течение газа в проточной части модели изотермического регулятора давления. Граничные условия на входе в регулятор: постоянное давление 2,03 атм, температура потока - 17,1 °С. Граничное условие на выходе - постоянное давление 0,46 атм. Твердые границы с окружающей средой моделировались непроницаемой адиабатической стенкой. Количество расчетных ячеек составляло в расчетах более 1200 000 единиц. Распределение температурных полей представлено на рис. 3.
Результаты верификации показали, что расхождение численного и физического экспериментов не превышает 5 % (табл. 1).
Численное моделирование позволило визуализировать направление течения потоков газа в наружном и внутренних контурах квазиизотермического вихревого регулятора давления и определить структуру
и характер взаимодействия вихревых потоков (рис. 4). Это помогло определить картину теплового взаимодействия внутреннего и внешнего контуров, области подогрева и охлаждения стенок внутреннего контура и подтвердить наличие положительной обратной связи для обеспечения изотермического дросселирования потока газа.
Рис. 3. Результаты численного эксперимента при рвх = 2,03 атм
Таблица 1
Результаты верификации численного эксперимента
Параметр Численное моделирование Физический эксперимент
Рвх, атм 2,03 2,03
Рвых, атм 0,46 0,46
г °С •■вх? ^ 17,1 17,1
г °С •■вых? ^ 17,81 17,6
Дг, °С 0,71 0,5
Полная температура, °С
Рис. 4. Линии тока в проточной части регулятора
Визуализация теплового взаимодействия контуров позволила определить направления теплообмена на различных участках корпуса внутреннего контура. По результатам численного моделирования выявлены характерные места подогрева и охлаждения внутреннего контура. Параметрами, влияющими на изменение температуры стенок
внутреннего контура, являются температура и скорость потока газа в камере торможения. Поля температур внутри камеры энергетического разделения показывают качественное отличие температуры входного газа от температуры «горячего» потока. Температура потока, попавшего в межлопаточное пространство устройства торможения, подогревает как стенки лопаток, так и внутренние стенки винтовой головки. Поток газа, обтекающий винтовую головку и трубки перепуска, посредством теплообмена отбирает часть тепла от их внешних стенок и попадает в кольцевой канал. При этом внешний поток имеет температуру меньшую по отношению к температуре потока в области устройства торможения. Образованный градиент температуры в области винтовой головки и трубок перепуска позволяет осуществить механизм положительной обратной связи и повысить температуру газа перед входом в камеру энергетического разделения [10, 11].
Проводилось численное моделирование, направленное на исследование влияния количества периферийных трубок перепуска «горячего» потока, для следующего количества периферийных трубок перепуска п (табл. 2).
Таблица 2
Результаты численного моделирования
Количество Выходное Температура газа Коэффициент
трубок п, шт давление рвых, атм на выходе ^ых, °С расхода д
0 2,2 5,1 0,293
1 2,1 4,98 0,250
2 2,09 5,05 0,240
3 2,2 5,12 0,247
На рис. 5 показано распределение поля температур при различных количествах периферийных трубок.
По результатам численного эксперимента было выявлено оптимальное количество трубок перепуска п = 3 (рис. 6). График изменения Дt = ^ых - показывает, что при наличии только центральной трубки перепуска «горячего» газа имеется положительная разница между входной и выходной температурами, но отсутствует подогрев стенок корпуса регулятора. При наличии трех периферийных трубок перепуска снижается расход «горячего» газа через центральную трубку, но при прохождении части «горячего» потока по периферийным
Рис. 5. Температурные поля при разных количествах трубок перепуска: а - п = 0; б - п = 1; в - п = 2; г - п = 3
а
б
в
г
Количество трубок п
Рис. 6. График изменения разницы входной и выходной температур и расхода «горячего» газа через центральную трубку перепуска от количества периферийных трубок
трубкам перепуска возрастает действие положительной обратной связи и, за счет теплопроводности металла, происходит подогрев стенок корпуса, что исключает возможность обледенения регулятора.
Библиографический список
1. Ионин А.А. Газоснабжение. - М.: Стройиздат, 1989. - 439 с.
2. Гурин С.В., Соловьев А.А. Исследование возможности получения изотермического процесса при дросселировании в вихревом регуляторе давления // Вестник УГАТУ. - 2006. - Т. 8, № 1(17). - С. 3-6.
3. Меркулов А.И. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969. - 180 с.
4. Разработка, изготовление и поставка опытного образца изотермического регулятора давления для редуцирования на ГРС без подогрева газа: техн. отчет по дог. № 489 от 16.07.02 (I этап) / Ю.М. Ахметов, А.Ф. Набиуллин, В.А. Ломоносов [и др.]; ОАО «НИИТ». - Уфа, 2002.
5. Использование особенностей вихревых течений для получения квазиизотермического процесса дроселирования давления природного газа / А.М. Русак, В.Л. Юрьев, Ю.М. Ахметов, В.А. Целищев, П.М. Кар-мацкий, С.В. Гурин // Проблемы машиноведения и критических технологий в машиностроительном комплексе РБ: сб. науч. тр. АН РБ. - Уфа: Гилем, 2005. - С. 37-49.
6. Газизов Р.К., Лукащук С.Ю., Соловьев А.А. Основы компьютерного моделирования технических систем: учеб. пособие / Уфим. гос. техн. ун-т. - Уфа, 2008. - 143 с.
7. Ахметов Ю.М., Зангиров Э.И., Свистунов А.В. Возможный механизм течения вихревых закрученных потоков // Тр. МФТИ. - 2014. -Т. 6, № 2. - С. 99-104.
8. Фузеева А. А., Пиралишвили Ш. А. Подобие в вихревых энергоразделителях Ранка // Инженерно-физический журнал. - 2006. - Т. 79, № 1. - С. 29-34.
9. Исследование влияния тормозного устройства на структуру потока и параметры изотермического вихревого регулятора давления / А.Ю. Ахметов [и др.] // Вестник УГАТУ. - 2011. - Т. 15, № 4(44). -C. 149-153.
10. Ахметов Ю.М., Пархимович А.Ю., Свистунов А.В. Численное моделирование процессов температурной стратификации в изотермическом вихревом регуляторе с внутренним смешением // Вестник УГАТУ. - 2010. - Т. 14, № 2(37). - С. 41-50.
11. Свистунов А.В., Чиндина А.А. Численное моделирование и визуализация процессов движения газа в изотермическом вихревом регуляторе давления // Мавлютовские чтения: сб. тр. рос. молодеж. науч. конф. / Уфим. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа, 2010. - С. 171-172.
References
1. Ionin A.A. Gazosnabzhenie [Gas supply]. Moscow: Stroyizdat, 1989. 439 p.
2. Gurin S.V., Solovev A. A. Issledovanie vozmozhnosti polucheniya izotermicheskogo protsessa pri drosselirovanii v vikhrevom regulyatore davleniya [Research of opportunities of isothermal process during throttling in the vortex pressure regulator]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2006, vol. 8, no. 1(17), pp. 3-6.
3. Merkulov A.I. Vikhrevoy effekt i ego primenenie v tekhnike [The vortex effect and its application in engineering]. Moscow: Mashinostroenie, 1969. 180 p.
4. Akhmetov Yu.M., Nabiullin A.F., Lomonosov V.A. [et al.]. Raz-rabotka, izgotovlenie i postavka opytnogo obraztsa izotermicheskogo regu-lyatora davleniya dlya redutsirovaniya na GRS bez podogreva gaza [Development, production and delivery of a prototype of the isothermal pressure
regulator for reducing GDS without heating gas]. Technical report on the contract number № 489, 16.07.02. Ufa: OJSC «NIIT», 2002.
5. Rusak A.M., Yurev V.L., Akhmetov Yu.M., Tselishchev V.A., Karmatskiy P.M., Gurin S.V. Ispolzovanie osobennostey vikhrevykh te-cheniy dlya polucheniya kvaziizotermicheskogo protsessa droselirovaniya davleniya prirodnogo gaza [The use of characteristics of vortex flows for quasi-isothermal process of throttling of pressure natural gas]. Sbornik nauchnykh trudov Akademii nauk Respubliki Bashkortostan "Problemy mashinovedeniya i kriticheskikh tekhnologiy v mashinostroitelnom kom-plekse RB". Ufa: Gilem, 2005, pp. 37-49.
6. Gazizov R.K., Lukashchuk S.Yu., Solovev A.A. Osnovy kompyu-ternogo modelirovaniya tekhnicheskikh sistem [Fundamentals of computer simulation of technical systems]. Ufimskiy gosudarstvennyy aviatsionnyy tekhnicheskiy universitet, 2008. 143 p.
7. Akhmetov Yu.M., Zangirov E.I., Svistunov A.V. Vozmozhnyy me-khanizm techeniya vikhrevykh zakruchennykh potokov [A possible mechanism of currents of the vortex swirling flows]. Trudy Moskovskogo fiziko-tekhnicheskogo instituta, 2014, vol. 6, no. 2, pp. 99-104.
8. Fuzeeva A.A., Piralishvili Sh.A. Podobie v vikhrevykh energoraz-delitelyakh Ranka [The similarity in the Ranque's energy vortex separators]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal, 2006, vol. 79, no. 1, pp. 29-34.
9. Akhmetov A.Yu. [et al.]. Issledovanie vliyaniya tormoznogo us-troystva na strukturu potoka i parametry izotermicheskogo vikhrevogo regu-lyatora davleniya [The investigation of the influence of the braking device on the structure and parameters of the isothermal flow vortex pressure regulator]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, vol. 15, no. 4(44), pp. 149-153.
10. Akhmetov Yu.M., Parkhimovich A.Yu., Svistunov A.V. Chislennoe modelirovanie protsessov temperaturnoy stratifikatsii v izotermicheskom vik-hrevom regulyatore s vnutrennim smesheniem [The numerical simulation of the temperature stratification in the isothermal vortex regulator with internal mixing]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2010, vol. 14, no. 2(37), pp. 41-50.
11. Svistunov A.V., Chindina A.A. Chislennoe modelirovanie i vi-zualizatsiya protsessov dvizheniya gaza v izotermicheskom vikhrevom regulyatore davleniya [The numerical simulation and the visualization of the processes of isothermal gas flow in the vortex pressure regulator]. Sbornik trudov Rossiyskoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii "Mavlyutovskie
chteniya", Ufimskiy gosudarstvennyy aviatsionnyy tekhnicheskiy univer-sitet, 2010, pp. 171-172.
Об авторах
Ахметов Юрий Мавлютович (Уфа, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000,
г. Уфа, ул. Карла Маркса, д. 12, e-mail: [email protected]).
Калимуллин Радик Рифкатович (Уфа, Россия) - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, д. 12, e-mail: [email protected]).
Яминова Елена Маратовна (Уфа, Россия) - инженер кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса,
д. 12, e-mail: [email protected]).
About the authors
Yuriy M. Akhmetov (Ufa, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Applied Fluid Mechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, Karl Marx st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Radik R. Kalimullin (Ufa, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of Applied Fluid Mechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, Karl Marx st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Elena M. Yaminova (Ufa, Russian Federation) - Engineer, Department of Applied Fluid Mechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, Karl Marx st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Получено 26.08.2015
