Численное моделирование течения флюида в ступени центробежного насоса

• Автор: Шигапова, Диана Юрьевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Содержание
Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

1. Описание, принцип действия и основные характеристики насосов

1.1. Современное состояние моделирования режимов работы лопастных машин

1.2. Основные параметры и классификация насосов

1.3. Общие характеристики работы насоса

1.3.1. Напор Я

1.3.2. Потери энергии и КПД

1.3.3. Расходно - напорная характеристика

1.4. Аналитическое описание движения жидкости в ступени ЦН
2. Моделирование течения жидкости
2.1. Математическое описание модели
2.1.1. Постановка задачи
2.1.2. Подходы к численному моделированию турбулентности
2.1.3. Система уравнений, описывающая течение в элементах ЦН
2.1.4. Начальные и граничные условия
2.2. Численные реализации математической модели
2.2.1. Трехмерная модель ступени насоса и расчетная сетка
2.2.2. Алгоритм численных экспериментов
3. Анализ полученных результатов
3.1. Интегральные характеристики работы ступени ЦН
3.1.1. Расходно - напорная характеристика
3.1.2. Коэффициент полезного действия
3.2. Структура потока при работе ЦІІ на воде
3.3. Влияние вязкости на характеристики работы ступени
3.3.1. Дегазированная нефть
3.3.2. Влияние вязкости на интегральные характеристики ступени насоса
3.3.3. Структура потока при работе ЦН на нефти
3.4. Возникновение кавитации
3.4.1. Теоретическое описание кавитации
3.4.2. Кавитационный запас
3.4.3. Расчет кавитационного запаса
Заключение
Список цитируемой литературы

Обозначения и сокращения
О - скорость вращения рабочего колеса;
Я - напор;
Нт - теоретический напор; р - давление; р - плотность;
Т - температура; г - время;
Q - объемный расход;
т! - коэффициент полезного действия насоса;
т]г - гидравлический коэффициент полезного действия;
п, - коэффициент быстроходности;
С - кавитационный коэффициент быстроходности;
V - абсолютная скорость движения;
м>, й - относительная и переносная компоненты скорости, соответственно; г - расстояние от оси вращения;
( г, ср, г ) - цилиндрическая система координат; тч - тензор пульсаций Рейнольдса;
6у - дельта Кронекера; р - коэффициент динамической вязкости; у - коэффициент кинематической вязкости; у, - турбулентная вязкость;
к - кинетическая энергия турбулентных пульсаций;
с - скорость диссипации кинетической энергии турбулентных пульсаций; о - относительная диссипация кинетической энергии турбулентных пульсаций.

Введение
Актуальность работы. Центробежные насосы (ЦН) принадлежат к наиболее распространенному классу гидравлических лопастных машин, которые используются во всех отраслях народного хозяйства, и в особенности в нефтяной и газовой промышленности. Они применяются в комплексе сооружений на месторождении, в технологических процессах добычи и сбора, промысловом и магистральном транспорте. Погружные центробежные насосы являются основным инструментом добычи углеводородов при механизированной эксплуатации нефтяных скважин, что обусловлено их существенными преимуществами над другими насосами. В первую очередь, следует отметить равномерность и широкие границы регулирования расхода (при относительно высоком КПД), возможность непосредственного соединения с электродвигателями, сепараторами и эжекторами, небольшие габаритные размеры и вес. Однако, при эксплуатации ЦН зачастую возникает ряд технических проблем: срыв подачи при низких значениях расхода перекачиваемой жидкости, снижение КПД и т.д.
На современном этапе развития нефтегазового комплекса особую актуальность приобретает вопрос повышения экономической эффективности функционирования установок, оборудованных ЦН, поскольку они оперируют с огромными потоками механической энергии привода в процессе превращения ее в гидравлическую энергию рабочей жидкости. Это требует оптимизации режимов уже введенных в эксплуатацию ЦН и создания новых высокоэффективных конструкций машин.
Решение задач оптимизации конструкции с целью увеличения КПД и эффективности использования ЦН требует детального знания рабочих процессов, протекающих в ступенях насосов. Существующие методики расчетов параметров течения, основанные на теории подобия и размерностей, не позволяют установить все закономерности физических течений в элементах насосов, т.к. не учитывают вязкость, сжимаемость флюида, турбулентную структуру потока и другие
предыстория явления. Линейные масштабы испытывают влияние и других процессов. Диссипация разрушает мелкие вихри, что приводит к увеличению средних размеров вихрей. Растяжение вихревых трубок, связанное с энергетическим каскадом, уменьшает этот размер. Баланс всех указанных процессов можно выразить модельным уравнением переноса масштаба Ь, которое позволяет затем установить распределение Ь. Использование этого уравнения стимулируется тем, что трудно подобрать универсальную формулу для описания или вычисления Ь. Однако необязательно, чтобы независимой переменой был сам линейный масштаб. Возможна любая комбинация вида 2 = ктЬ", поскольку энергия к известна из решения &-уравнения.
На самом деле в большинстве уравнений используется не Ь, а 2 с различными значениями показателей степени ти п. Чаще всего в качестве переменной принимается скорость диссипации энергии е (е~к312/Ь, так что 7я = 3/2, 77 = 1). Модель, использующая это и к - уравнение, называется модель. Коэффициент турбулентной вязкости определяется соотношением
Уравнения для кинетической энергии турбулентности к и скорости диссипации энергии е записываются так [69]:
Другой вариант задания в качестве переменной относительной диссипации энергии в единице объема за единицу времени, т.е. а>~к112/Ь. В этом случае модель называется к-со модель турбулентности и определяется соотношениями
И,=С11рк2/£.
(2.14)
рд,к + Рирр = грр, -ре + д(р + Щд],
(2.15)
(2.16)
(2.17)-(2.19).
р,=рк/со,
(2.17)
рд,к + рирр = трр, - р'рксо + д1 [(р + 4)3/],
(2.18)