ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В БЕЗНАПОРНЫХ ТРУБАХ

АННОТАЦИЯ

Известно, что движение двухфазных потоков в трубах происходит в турбулентном режиме. В этом случае для моделирования турбулентного движения потока и поиска численных решений широко используется модель RАNS (Reynolds averaged Navier - Stokes). В рамках рассматриваемой задачи была использована программа ANSYS FLUENT для симуляции процесса в реальных условиях. В результате были определены и визуализированы параметры потока. Расчёты проводились при разных уклонах трубы и при разной плотности твёрдых частиц. Результаты показали, что если плотность твёрдых частиц меньше плотности жидкости, то поток твёрдых частиц стремится к поверхности жидкости. Если плотность твёрдых частиц больше плотности жидкости, то поток твёрдых частиц стремится ко дну трубы. На основании полученных результатов определены процессы и гидравлические параметры в трубе при различном уклоне трубы и при различных значениях плотности фаз.

ABSTRACT

It is known that two-phase flows in pipes occur in a turbulent regime. In this case, the RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes) model is widely used to simulate turbulent flow and find numerical solutions. For this problem, ANSYS FLUENT was used to simulate the process under real-world conditions. As a result, the flow parameters were determined and visualized. Calculations were performed for different pipe slopes and different solid particle densities. The results showed that if the solid particle density is lower than the liquid density, the solid particle flow tends toward the liquid surface. If the density of solid particles is greater than the density of the liquid, the flow of solid particles tends to the bottom of the pipe. Based on the obtained results, the processes and hydraulic parameters in the pipe were determined for different pipe slopes and for different phase densities.

Ключевые слова: двухфазный поток, турбулентный режим, энергия, сточные воды, взвешенные вещества, плотность.

Keywords: а two -phase stream, turbulent mode, energy, wastewater, suspended substances, density.

Введение. Сегодня в строительстве, водоснабжении, канализации, горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности широко применяются трубопроводные системы с двухфазными потоками. Одним из важных вопросов повышения их транспортирующей способности и поиска экономически и гидравлически эффективных решений является разработка методов расчета составляющих двухфазных потоков в трубопроводах, учитывающих взаимодействие фаз при различных режимах движения.

Эффективное использование водопроводных и канализационных труб в нашей республике, наряду с обеспечением бесперебойного снабжения питьевой водой реализуются комплексные мероприятия по обеспечению эксплуатации канализационных трубопроводов в оптимальном гидравлическом режиме, совершенствуются новые современные методы гидравлических расчетов, учитывающие механический и химический состав сточных вод.

При этом необходимо совершенствовать технологии строительства, водоснабжения и транспортировки сточных вод с учетом состава двухфазных потоков в напорных и безнапорных трубопроводах, в частности, учитывая изменчивость состава, концентрации и режима движения фаз в трубопроводах. Необходимо проведение научных исследований по разработке методов расчета параметров потока.

Исходя из этого, цель настоящей работы заключается в разработке и обосновании методов гидравлического расчёта двухфазных потоков в напорных и безнапорных трубопроводах с учётом взаимодействия фаз, их концентрации, режима движения и физико-химического состава среды для повышения транспортирующей способности и эксплуатационной надёжности трубопроводных систем.

Материалы и методы исследования

Из анализа литературы известно, что многофазные и двухфазные течения представляют собой совместное движение жидких и твердых частиц, образующих двух- или многофазные потоки с различными физико-механическими свойствами.

Одной из характерных особенностей двухфазных течений является значительная изменчивость объёмной концентрации, размеров и плотности твёрдых частиц в двухфазном потоке. Двухфазные течения имеют более сложную структуру по сравнению с однофазными турбулентными течениями жидкостей в трубах [1].

Поэтому методы расчета таких течений сложнее методов гидравлического расчета однофазных жидкостей.

Существует ряд математических моделей для расчета параметров двухфазного потока. В большинстве случаев существующие методы разработаны для напорных трубопроводов, и при решении этой задачи в безнапорных трубопроводах необходимо учитывать специфические особенности. Известно, что движение двухфазных потоков в трубах происходит в турбулентном режиме. В этом случае для моделирования турбулентного движения потока и поиска численных решений широко используется модель RАNS (Reynolds averaged Navier - Stokes). В рамках рассматриваемой задачи была использована программа ANSYS FLUENT для симуляции процесса в реальных условиях. В результате были определены и визуализированы параметры потока.

В этом случае средняя и переменная составляющие потока учитываются на основе уравнений. RANS-подход эффективен при изучении турбулентных течений, и его преимущество заключается в том, что он позволяет моделировать реалистичные условия во многих средах [2;3].

Для определения турбулентности используется модель k-e. Эта модель учитывает турбулентную энергию (k) и скорость её диссипации (ε) в потоке. Это позволяет с высокой точностью прогнозировать процесс осаждения и траектории взвешенных частиц. В частности, модель k-e широко используется для определения таких параметров, как гидравлические и физические свойства взвешенных частиц в сточных водах, их размер, плотность и скорость осаждения [2;3].

Этот процесс был определен и визуализирован с помощью программы ANSYS FLUENT для моделирования реальных условий. ANSYS FLUENT — инженерное программное обеспечение, предоставляющее мощные возможности моделирования различных физических явлений, включая динамику турбулентной жидкости.

Полученные результаты позволили проанализировать пространственное распределение двухфазных потоков и их взаимодействие в безнапорных трубах [5, 6].

Результаты и обсуждения

На основе представленных моделей с помощью программы ANSYS FLUENT определены гидравлические параметры (скорость) двухфазного потока в канализационной трубе. Как видно из Рисунков 1, 2, 3, расчёты проводились при различных уклонах трубы и различной плотности твёрдых частиц.

Расчеты проводились при разных уклонах трубы и при разной плотности твёрдых частиц. Результаты показали, что если плотность твёрдых частиц меньше плотности жидкости, то поток твёрдых частиц стремится к поверхности жидкости (см. рис. 1).

Если плотность твёрдых частиц больше плотности жидкости, то поток твёрдых частиц стремится ко дну трубы (см. рис. 2,3).

На основании полученных результатов определены процессы и гидравлические параметры в трубе при различном уклоне трубы и при различных значениях плотности фаз.

Заключение

Многие двухфазные потоки характеризуются неравномерным распределением твердых частиц вдоль трубы, и необходимо учитывать разницу скоростей между самой жидкостью и твердыми частицами.

Для оценки влияния кинематических и динамических параметров потока на транспортирующую способность канализационных труб были проведены исследования с использованием программы ANSYS FLUENT. Расчёты проводились при различных уклонах труб и плотности твёрдых частиц. Результаты показали, что если плотность твердых частиц меньше плотности жидкости, то поток твердых частиц стремится к поверхности жидкости, а если плотность больше плотности жидкости, то поток твердых частиц стремится ко дну трубы. На основании полученных результатов определены и визуализированы процессы и гидравлические параметры, происходящие в трубопроводе при различных уклонах трубопровода и при различных значениях плотности фаз.

Список литературы:

1. Арифжанов А.М., Рахимов Қ.Т., Абдураимова Д.А., Бабаев А.Р. Определение гидравлических параметров трубопровода при движении двухфазного потока // Научно-технический журнал Ферганского политехнического института - 2018 (Спец. выпуск). С. 169-172.
2. Коржаев С.А.  Движение водогрунтовых смесей. -М: Наука,1967. -190с.
3. Lumborg U., Windelin A. Hydrography and cohesive sediment modelling: application to the RomoDyb tidal area // Journal of Marine Systems. Vol. 38. Is. 3-4. 2003. P. 287-303.
4. Rai R K, Singh V P, Upadhyay A, Rai R K, Singh V P and Upadhyay A 2017 Design of Irrigation Canals Plan. Eval. Irrig. Proj. Р. 283–318.
5. Латипов К.Ш., Арифжанов А.М. К определению характера распределения взвешенных частиц наносов по глубине потока // Известия АН УзССР. Сер.техн.наук. – 1984. - №3. – С. 50-52.
6. Durand P. Basic relationships of transportation of solids in pipes.  Experimentul Research // Proc. Min Intern. Hydreul. Div., V.S.A.E. -1953.-Sert. -P. 89-103.