Регистрация / Вход
Прислать материал

Численное моделирование неизотермического течения жидкости в трубопроводе при наличии источника электромагнитного излучения

Сведения об участнике
ФИО
Мирошниченко Владислав Юрьевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о Земле, экология и рациональное природопользование
Раздел области наук
Поиск, разведка, разработка месторождений и добычи полезных ископаемых и их добыча
Тема
Численное моделирование неизотермического течения жидкости в трубопроводе при наличии источника электромагнитного излучения
Резюме
С помощью численного моделирования исследована задача о ламинарном течении высоковязкой углеводородной жидкости в трубопроводе при наличии источника электромагнитного излучения. Учтен процесс теплообмена с окружающей средой и переменная вязкость жидкость в зависимости от температуры. В качестве математической модели используется двумерная система уравнений Навье-Стокса и уравнение конвективной теплопроводности. Показано, что использование точечного электромагнитного излучателя позволяет эффективно подогревать углеводородную жидкость, поддерживая оптимальный температурный режим перекачки.
Ключевые слова
математическое моделирование, электромагнитный нагрев, углеводородная жидкость, система уравнений Навье-Стокса
Цели и задачи
Провести численный эксперимент описывающий движение высоковязкой жидкости в трубопроводе при наличии в нем источника электромагнитного излучения. Сравнить результаты моделирования в отсутствии источника и при его наличии. Показать эффективность предложенного метода.
Введение

В настоящее время существует проблема отложения парафинов на стенках трубопровода в регионах с сезонном изменением температуры. Также хорошо известно, что твердые метановые углеводороды, содержатся практически во всей добываемой нефти. Это оказывает существенное влияние на способ хранениея и транспорта, подготовку и переработку нефти. Большую роль в этом процессе играет зависимость вязкости от температуры, т к при охлаждении нефти, в ней могут выпадать твёрдых фракции. 

Таким образом проблема борьбы с выпадением парафина на стенках трубопровода является весьма актуальной, что ставит ряд сложных задач, как в смысле понимания протекающих процессов, так и методов по предотвращению отложений. 

 

Методы и материалы

Для описания движения жидкости в трубопроводе используются двумерные уравнения движения, которые дополнены уравнением неразрывности. Вместе такие уравнения образуют систему уравнений Навье-Стокса. В качестве основного уравнения математической модели берется уравнение конвективной теплопроводности. В рамках рассматриваемой задачи, вязкость предполагается зависимой от температуры по закону Филанова-Ренольдса. В качестве источника электромагнитной энергии было взято экспериментальное соотношение для точеного теплового источника. 

Для решения такой системы уравнений использовался метод контрольного объема с реализацией алгоритма SIMPLE. 

Описание и обсуждение результатов

Из графика зависимости вязкости от температуры видно, что изменение температуры вносит значительный вклад в характер движения жидкости в трубе. Так, при повышении температуры твердые фракции будут плавиться, переходя в жидкое состояние, а высоковязкая нефть будет становиться более текучей что приведет к увеличению пропускной способности трубопровода.

При рассмотрении радиального распределения температуры видно, что нагрев жидкости происходит преимущественно вдоль оси, проходящей через центр трубы, при этом область вблизи стенки остается холодной, что неизбежно ведет к повышению вязкости и, как следствие, образованию парафинового слоя, который неспособен перемещаться по трубопроводу под действием перепада давления. Это также видно из направления и величины вектора скорости, который равен нулю в области где вязкость остается высокой, при этом менее вязкой жидкости приходится обтекать этот участок.

Для того, чтобы избежать негативных последствий при понижении температуры перекачиваемой нефти, предлагается подогревать нефть электромагнитным полем с помощью излучателя, установленного на некотором расстоянии от начала нефтепровода.

При рассмотрении радиального распределения температуры (в случаи использования ЭМ источника) хорошо виден эффект объемного нагрева нефти вблизи источника электромагнитного излучения, приводящий к повышению температуры на несколько градусов практически во всем поперечном сечении нефтепровода. Так, за время 1400 секунд центр трубы разогрелся до 550С по всей длине, в то время как без использования нагревателя, температура в центре трубы на расстоянии 4 метра от рассматриваемого участка повысилась лишь на 90С.

Очевидно, что электромагнитный излучатель может быть размещен в различных точках нефтепровода, чтобы обеспечить поддержание оптимальной температуры транспортируемой нефти. Также было проведено сравнение температурных кривых на оси трубопровода при различных вариантах размещения источника электромагнитного поля. Легко заметить, что в рассматриваемом случае оба варианта размещения источника практически эквивалентны. Кроме описанного выше эффекта можем видеть, что за счет действия источника во всем объеме трубы, температурный фронт во втором случаи продвинулся значительно дальше, достигнув границ рассматриваемого объема. После подогрева среды, векторы скорости направлены преимущественно параллельно друг другу что исключает возможно образования турбулентных течений.  

Таким образом в рамках данной математической модели численно исследованы особенности неизотермического ламинарного течения высоковязкой углеводородной жидкости при наличии точечного источника электромагнитного излучения. Показана эффективность использования таких источников для подогрева перекачиваемых по трубопроводам нефтей.

Используемые источники
1. Абдуллина В. А., Фатыхов М. А. Электромагнитный способ плавления парафина в трубе
2. Измайлова Г. Р., Ковалева Л. А., Насыров Н. М. Математическое моделирование высокочастотного электромагнитного и акустического воздействия на пласт в сочетании с закачкой растворителя
3. Морозов Н. Н., Кашкатенко Г. В. Микроволновой разогрев нефтепродуктов в трубопроводах /
4. Павлов А. Б., Плохов И. В. Моделирование тепловых процессов при попутном электрическом подогреве трубопроводов /
5. Патанкар С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах.
6. Пшенин В.В. Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов

7. Griebel M., Dornseifer T., Neunhoeffer T. Numerical simulation in fluid dynamics
Information about the project
Surname Name
Miroshnichenko Vladislav
Project title
Numerical simulation of non-isothermal flow of hydrocarbon liquid in the pipeline with electromagnetic heater
Summary of the project
This project is related to mathematical simulation of laminar flow of oil in the pipeline. It is suggested to use the energy of the electromagnetic field to avoid the accumulation of paraffin on pipeline walls. The paper presents the results of the distribution of temperature, viscosity and velocity in both cases with the use of the radiator, and without it. Also it is shown the efficiency of such equipment.
Keywords
mathematical simulation, electromagnetic heating, hydrocarbon liquid, the system of Navier-Stokes equations