Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном к

При флотации пульпа непрерывно циркулирует через карман. Она омывает его внешнюю поверхность, заходит через щель внутрь кармана, проходит через его внутреннюю полость и выходит через круглое отверстие в вертикальный корпус, внизу которого находится насос-импеллер. Быстровращающийся от электропривода импеллер своими лопастями отбрасывает пульпу в объём камеры, создавая при этом некоторое разряжение в полости кармана. Благодаря ему пульпа всасывается в узкую щель кармана. На разных участках кармана параметры потока пульпы отличаются. Наиболее характерно это для двух параметров: скорости потока пульпы и угла потока частиц. Как показали наблюдения реального процесса циркуляции, расчеты параметров потока, а также проведенный эксперимент по определению скорости пульпы в реальном технологическом процессе, экстремальные параметры потока имеют место на входе в карман, выполненный в форме узкой и длинной щели (шириной около 35 мм и длиной примерно 2 м). Здесь скорости потока нарастают до максимума, а углы атаки частиц имеют широкий диапазон значений. Практика применения циркуляционных карманов показала, что именно кромки щели имеют наибольший износ.

Обобщая сказанное, в качестве основных параметров примем скорость частиц и угол атаки. Эти параметры оказывают наибольшее влияние на интенсивность износа материала.

Из анализа литературы известно, что при малых скоростях потока (V = 2…8 м/с) её влияние описывается линейной зависимостью, при средних скоростях (20…30 м/с) износ увеличивается по степенной зависимости. Скорости частиц пульпы на входе в карман не превышают 2 м/с, их значения можно отнести к малым, а их влияние оценить линейной зависимостью. В последующих экспериментах это будет уточняться.

Другой основной параметр – угол атаки частиц – оказывает влияние на износ резин и полимеров по нелинейной зависимости. Максимальный унос наблюдается при средних углах ата-

201

ки (α = 30…50°). При α ближе к 0° и 90° унос уменьшается, приближаясь к минимальному. При углах атаки, близких к 0°, частицы скользят по поверхности материала, почти не врезаясь в него; при α = 30° частицы при ударе, не имея продольной составляющей вектора скорости, только укалывают материал, не срезая его. Учитывая это, определим диапазон варьирования угла атаки в пределах 20…60°.

Проведение вычислительных экспериментов осуществлялось в два этапа: расчет гидродинамических характеристик потока (в системе инженерного анализа FlowVision) и расчет на- пряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции машины (ABAQUS). Задача решалась в связанной постановке.

С учетом принятых допущений сформулирована следующая расчетная модель для описания гидродинамических процессов в ванне флотационной машины: конструкция полагается трехмерной (x, y, z); рабочее тело (несущая фаза) представляет собой сжимаемую жидкость; рабочее тело (1-я несомая фаза) представляет собой идеальный сжимаемый газ; рабочее тело (2-я несомая фаза) представляет собой сферические несжимаемые частицы диаметром 4 мм; камера постепенно заполняется частицами (соли).

Математическое описание газодинамических процессов в указанной постановке включает в себя следующие соотношения: закон сохранения массы, законы сохранения импульса, закон сохранения энергии, система уравнений замыкается уравнением состояния, а также начальными и граничными условиями. На контактных поверхностях устанавливались граничные условия типа «прилипание».

При этом газ в момент времени t = 0 полагается невозмущенным и его параметры соответствуют нормальным условиям для воздушной смеси.

Была разработана твердотельная модель установки. Вход моделировался в вертикальном сечении ванны вдали от щелевой части насадка. Здесь же подавались частицы. Выход

202

моделировался в выходном сечении импеллера. Массовые секундные расходы входа и выхода совпадают. Поскольку не были заданы характеристики насоса, параметры входа моделировались таким образом, что на входе в насадок скорости потока достигают значений в диапазоне от 1 до 4 м/с. По результатам гидродинамического расчета были получены поля скоростей и давлений (рис. 18.1), средний диаметр частиц со-

ли (рис. 18.2) [1].

Рис. 18.1. Распределение скорости (а) и давления (б) потока во флотационной машине (с учетом частиц)

Рис. 18.2. Средний диаметр частиц соли, м

203

Диапазон изменений скоростей от 0 до 4.9 м/с. В объеме ванны скорости потока не превышают 0,5м/с. Вблизи входа в насадок скорости резко нарастают на коротком участке, протяженностью не более 0,3 м. В кармане скорости снижаются и на расстоянии 0,25 м от входной щели минимальны (1–1,5 м/с). Разворот потока вблизи входа в цилиндрический патрубок приводит к ускорению потока до 3–4 м/с. При движении вдоль горизонтального цилиндра скорость потока падает до 2,5–3 м/с, а на верхней части этого отвода наблюдается застойная зона. При входе

ввертикальный цилиндрический канал поток отклоняется в сторону импеллера, где скорости снижаются до 0,5–1,5 м/с. Траектории движения частиц совпадают с линиями тока.

Восновном объеме ванны наблюдается избыточное давление 0,0015 МПа. Такое же давление фиксируется и на входе

внасадок. Лишь на расстоянии 0,03 м от входа в насадок фиксируется падение атмосферного давления на 0,0053 МПа, а затем по мере продвижения потока вдоль канала насадка – на 0,0099 МПа. После входа в горизонтальный цилиндрический канал падение давления достигает максимума и ниже атмосферного на 0,00167 МПа. Примерно такое же давление в вертикальных патрубках, которые выше места стыка с горизонтальным каналом. Минимальное давление наблюдается в зоне импеллера. Здесь оно ниже атмосферного на 0,2 ат.

Начальная температура потока (на входе) принималась

20 °С. В основном объеме ванны наблюдается температура окружающей среды 20 °С. Такая же температура фиксируется и на входе в насадок. Лишь вблизи места соединения воздухопровода

ивертикального цилиндра с пульпой наблюдается снижение температуры до 16 °С. Эта область уже, чем в случае без частиц,

иограничена радиусом 0,3 м с центром в точке входа.

Заметная массовая концентрация воздуха наблюдается в воздуховоде и в верхней части вертикальной цилиндрической полости над импеллером. Более крупные частицы отбра-

204

сываются к боковым стенкам кармана и к нижней части горизонтального цилиндрического патрубка, а также на дно камеры. По результатам расчетов видно, что мелкие (до 0,0004 м) частицы заполняют большее пространство в насадке, верхняя часть камеры заполняется частицами размером около 0,0012 м. Основное отличие наблюдается в верхней (над поверхностью кармана) части ванны. Больший объем занимают мелкие частицы. Частицы размером 0,002 м наблюдаются у входа

вкарман и вблизи свободной поверхности жидкого потока

вванне.

Полученные параметры газодинамического потока являются исходными данными для последующего расчета перепадов давления на поверхностях кармана. Граничные условия для оценки напряженно-деформированного состояния задавались по всей расчетной области: Рнар = 102500 Па, Рвнутр = 93000 Па (рис. 18.3). Расчеты производились для различных толщин насадка. На рис. 18.4 представлено напряженно-деформированное состояние конструкции при различных значениях толщины сечения и при изменении величины зазора.

Рис. 18.3. Граничные условия

205

ГЛАВА 19. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОФАЗНОГО СТРУЙНОГО НАСОСА ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ

По характеру рабочего процесса струйные насосы (инжекторы, эжекторы, гидроэлеваторы) принципиально отличаются от насосов всех других типов. В них перекачиваемый поток «пассивной» жидкости Qп получает энергию при смешении с рабочим потоком Qа «активной» жидкости, обладающим большей энергией (рис. 19.1). Энергия потока после смешения Qсм больше энергии перекачиваемого потока, но меньше энергии рабочего потока. В результате его торможения давление в потоке увеличивается и может существенно превысить давление пассивной жидкости на входе. Струйный насос схематично состоит из рабочего сопла 1 для формирования цилиндрической струи активной жидкости, камеры смешения 2 и диффузора 3, где происходит торможение потока смеси. Пассивная жидкость подается в камеру смешения через кольцевой канал 4.

Рис. 19.1. Схема проточного тракта струйного насоса

Использование аппаратов со струйными течениями, несмотря на относительно малое значение КПД (порядка 0,2…0,35), позволяет создавать технологические установки, имеющие ряд преимуществ, обусловленных их предельной простотой и ком-

207

пактностью, отсутствием движущихся частей, высокой надежностью работы при перекачке загрязненных, агрессивных жидкостей и многофазных сред, а также возможностью реализации

вних одновременно нескольких технологических процессов.

Внастоящее время струйные насосы нашли применение

всоставе дожимных насосных станций (ДНС) для перекачки продукции нефтедобывающих скважин с одновременной утилизацией попутного газа и транспортированием газожидкостной смеси (ГЖС) по единому трубопроводу. Учитывая непостоянные во времени расходы компонентов и общий расход ГЖС проектирование установок требует решения ряда конструкторских, технологических и оптимизационных задач с целью обеспечения максимальной эффективности работы устройств. При решении таких задач необходимо исследовать термогазодинамические процессы, происходящие в различных типах струйных течений: эжекционных, кавитационных, пульсационных, вихревых, а также анализировать компонентный состав, скорости, температуры, давления и другие значения термодинамических и физических параметров смеси.

Существующие полуэмпирические методики расчета струйных насосов [1] дают возможность лишь приближенно оценить их интегральные характеристики и не позволяют исследовать особенности гидродинамики течения в условиях перекачки ГЖС. Детальное описание исследуемых физических явлений приводит к сложной математической модели тепломассообмена, реализация которой возможна лишь с использованием современных численных пакетов программ. Одним из наиболее эффективных для решения подобных задач является программный продукт компании CD-ADAPCO. Пакет ориентирован на решение задач механики жидкости и газа для многокомпонентных и многофазных сред с учетом их возможного химического взаимодействия.

Приведенные в данной публикации результаты исследований выполнены в рамках научно-исследовательской работы

208

по созданию новой многофазной гидроструйной установки (УГС) на основе эжектора с автоматически изменяемыми геометрическими параметрами кольцевого сопла, принцип действия которого запатентован ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» в соавторстве с ПНИПУ [2]. Актуальность этого проекта обусловлена тем, что, как показали результаты эксплуатации УГС на промыслах, перекачка жидкости и газа одной установкой с неизменной геометрией проточного тракта малоэффективна. Основные цели исследования – обеспечение устойчивой работы установки в различных режимах перекачки ГЖС и снижение энергозатрат за счет рационального выбора геометрических и расходных характеристик проточного тракта.

Отличие проектируемой установки от традиционных струйных насосов заключается в схеме подачи активной и пассивной сред. В УГС используется кольцевое активное сопло

сизменяемыми геометрическими параметрами. Применение такого сопла позволяет сформировать активную струю кольцевого сечения, за счет чего увеличивается поверхность контакта взаимодействующих сред и, как следствие, возрастает коэффициент инжекции.

На рис. 19.2 выделена рабочая часть проточного тракта УГС, включающая кольцевое сопло, каналы для подачи активной и пассивной сред в камеру смешения. Активная жидкость

спомощью шурфового насоса подается через кольцевой канал 1, образованный газовой трубкой 3 и подвижным сопловым наконечником 5. Площадь проходного сечения сопла регулируется смещением соплового наконечника под действием пружины 6 в зависимости от активного давления, создаваемого шурфовым ЭЦН. С увеличением давления активной жидкости пружина сжимается и сопловой наконечник смещается вправо, что приводит к увеличению сечения сопла и расхода рабочей жидкости. Поток пассивной среды разделен на две части: газ поступает по неподвижной внутренней трубке 3, жидкость – по внешнему каналу 2. Причем такое распределение ГЖС по каналам доста-

209

точно условно, так как в рабочих режимах УГС по обоим каналам может подаваться газ, жидкость или ГЖС.

Рис. 19.2. Конструкция соплового узла УГС: 1 – канал подачи активной жидкости; 2 – канал подачи пассивной жидкости; 3 – канал подачи пассивного газа; 4 – камера смешения; 5 – подвижный сопловой наконечник; 6 – пружина

На рис. 19.3 сопловой наконечник схематично изображен в крайних положениях, соответствующих минимальному (рис. 19.3, а) и максимальному (рис. 19.3, б) сечениям кольцевого канала.

Рис. 19.3. Сопловой наконечник: а – «симметричное» сопло; б – « несимметричное» сопло

Расчетная схема задачи, используемая при моделировании течений в проточной части УГС, приведена на рис. 19.4. Она включает кольцевое сопло, каналы подачи пассивной и актив-

210