Диссертация (1145283), страница 2
Текст из файла (страница 2)
. . . . . . . . . . . . . . . . . 2514.5.3. Модель поведение средней по слою температуры . . . . . . . . . . . . . . . 2564.5.4. Приближенное аналитическое решение ряда вариантов математическоймоделитепловыхпроцессовврасширяющемсяслое жидкости . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266Список обозначений . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275Список иллюстраций . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3006ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. Мощность современных компьютеров и стремительное развитие вычислительных методов обусловили возрастающую рольматематического моделирования в решении фундаментальных научных иприкладных задач. Математическое моделирование нестационарных неизотермических процессов в движущихся многофазных средах охватывает широкий круг современных прикладных задач, исследованию двух из которыхпосвящена настоящая диссертация: это задача моделирования нестационарного неизотермического течения смеси газов по протяженному подводномугазопроводу в северных морях и задача моделирования расширения сферического слоя жидкости в невесомости.
Совместное рассмотрение этих крупныхприкладных задач определяется общностью проблем математического моделирования таких, как модульный анализ уравнений модели, решение задачиидентификации параметров модели, создание эффективных вычислительныхалгоритмов и на их базе современных программных комплексов, позволяющих проводить компьютерное моделирование исследуемых процессов.Технико-экономическое обоснование проектируемых морских газопроводов, оценка состояния эксплуатируемых газопроводов, исследование вопросовбезопасности и влияния морского газопровода на экологическую ситуацию вакватории требуют создания адекватных математических моделей транспортировки газа. Начало исследования течения газа в трубах положено в классических работах Г.Н.
Абрамовича, И.А. Чарного, Л.С. Лейбензона, Д. Гидаспова, Р.И. Нигматулина, И.П. Гинзбурга, Л.Г. Лойцянского, Л.И. Седова,С.С. Кутателадзе, С.К. Годунова, Ю.В. Лапина, Л. Прандтля, Т. Кармана,И. Никурадзе, А. Дж. Рейнольдса, Г. Шлихтинга и других ученых. В моделировании магистральных газопроводов отметим работы А.Д. Альтшуля,О.Ф.
Васильева, А.Ф. Воеводина, И.Е. Идельчика, С.А. Сарданашвили, М.Г.Сухарева, В.Е. Селезнева и С.Н. Прялова. Широкое распространение в настоящее время получили коммерческие пакеты такие, как Fluent, «Star-CD»(Великобритания), «ANSYS CFX» (США), «OLGA» (Норвегия), тем не менее, задача моделирования морских газопроводов далека от завершения. Об7этом свидетельствует, например, как непрерывное совершенствование и уточнение программного комплекса «OLGA», создатели которого (компания SPTGroup ) признаны одним из лидеров по моделированию процессов в нефтегазовой отрасли, так и непрекращающийся поток отечественных и зарубежныхнаучных публикаций по теме моделирования транспортировки газа по газопроводам.
Следует заметить, что для морских газопроводов в северных моряхзадача осложняется необходимостью адекватного моделирования нарастанияморского льда на поверхности газопровода.Актуальность второй задачи следует из возрастающей роли возобновляемых источников энергии, среди которых важную роль играет солнечнаяэнергия. С начала 90-х годов 20 века рассматривается вопрос об использовании солнечной энергии, улавливаемой c помощью космических зеркал. Впроектах DOE NASA космические зеркала предлагалось использовать как составную часть космической электростанции, не меньшая роль отводилась ими в освещении районов Земли в ночное время.
В 90-х годах 20 века в Государственном Отическом Институте им. С.И. Вавилова исследовалась технологиясоздания космических зеркал из полых сфер большого диаметра, созданныхвблизи космических летательных аппаратов. Для специально синтезированного материала были проведены успешные наземные испытания полученияполых сфер, диаметр которых был ограничен (сказывалось влияние силы тяжести). При реализации этого проекта обнаружился ряд трудностей, одной изкоторых явился выбор режима расширения жидкого слоя, обеспечивающегодостижение необходимых размеров сферической оболочки в услових невесомости за короткий интервал времени. Создание математической модели этогопроцесса, позволяющей заменить натурный эксперимент в космосе компьютерным, актуально и в наши дни, поскольку интерес к этим задачам не ослабевает. Например, 21 января 2017 года на ленте ТАСС (tass.ru/nauka/3959630)появилось сообщение о том, что специалисты Ракетно-космической корпорации "Энергия"предлагают реализовать орбитальную систему освещения земной поверхности солнечным светом с помощью космических зеркал.Цель диссертационного исследования заключается в создании математических моделей процессов, лежащих в основе транспортировки смеси8газов по морским газопроводам в северных морях и математической модели формирования в невесомости полых сфер большого диаметра, а такжев проведении вычислительных экспериментов по созданным программнымкомплексам, позволяющих ответить на фундаментальные и прикладные вопросы, возникающие при реализации этих проектов.
Достижение этой целипотребовало решения следующих задач.1. Провести анализ существующих математических моделей неустановившихся течений смеси газов в трубах.2. При сверхвысоких давлениях в широком диапазоне изменения температуры обосновать выбор термодинамической модели для многокомпонентной смеси газов, представляющей интерес в реальных задачах транспортировка газа по морским газопроводам. Вывести калорическое уравнение изависимости всех термодинамических величин от плотности и температурысмеси газов для выбранного уравнения состояния.3.
Исследовать допустимость использования квазистационарного приближения при моделировании нестационарных процессов теплообмена потокагаза с окружающей морской водой.4. Создать программный комплекс, позволяющий рассчитывать установившиеся режимы течения с учетом влияния рельефа трассы, состава смеси,конструкции газопровода. Исследовать на основе компьютерного эксперимента по созданному программному комплексу область допустимых значенийдавления и температуры газа на входе.5.
Исследовать существующие подходы к расчету таких трудноопределимых параметров модели, как коэффициент гидравлического сопротивления исуммарный коэффициент теплообмена. Решить задачу идентификации этихпараметров по экспериментальным данным и создать программный комплексрешения этой задачи.6. Создать математическую модель нарастания льда на поверхности вморской воде, учитывающую особенности процессов образования льда в соленой воде.
Рассмотреть возможность моделирования динамики оледененияна языке средних по слою льда теплофизических характеристик. Создать вы-9числительный алгоритм и программный комплекс, реализующий расчет посозданной модели.7. Создать математическую модель, вычислительный алгоритм и программный комплекс расчета тепловых процессов и процессов нарастанияльда на многослойной стенке цилиндрического газопровода в морской воде.8.
Исследовать допустимость использования в моделях транспортировкисмеси газов по морским газопроводам в северных морях квазистационарногои приближенного вариантов модели п. 7.9. Создать общую математическую модель процессов транспортировкисмеси газов по морским газопроводам, позволяющую для неустановившихся режимов учесть рельеф трассы, сверхвысокие давления, состав газовойсмеси, конструкцию газопровода, нестационарность процессов теплообмена идинамику нарастания морского льда на внешней поверхности газопровода всеверных морях.10. Разработать вычислительный алгоритм и программный комплексрасчета по математической модели п. 9.11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
