Тепловые режимы сложных многониточных систем заглубленных трубопроводов

• Автор: Примаков, Сергей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 107 с. : ил.

Оглавление
Введение.
Глава 1. Обзор задач, связанных с определением тепловых режимов заглубленных трубопроводов.

1.1. Решения некоторых теплофизических задач геокриологии

1.1.1. Расчеты но определению ореолов оттаивания вокруг тепловыделяющих элементов.

1.1.2. Расчеты по определению падения температуры энергоносителей по длине трубопроводов.

1.2. Теплофизические методы решения задач геокриологии

1.3. Современные технологии при решении теплофизических задач

1.3.1. Математическое моделирование и оптимизация

1.3.2 Программирование на ЭВМ

1.4. Математические приемы, применяемые при решении некоторых задач теплофизики

1.4.1. Численные методы в теплофизике
1.4.2. Некоторые математические приемы наиболее распространенных задач теплофизики.
Глава 2. Исследование температурного режима заглубленного трубопровода в мерзлых грунтах.
2.1. Традиционные методики решения задачи по определению температурного режима трубопровода.
2.1.1. Стационарное температурное поле. Метод источников.
2.1.2. Граничные условия. Решение Форгеймера.
2.1.3. Проблемы учета распределения температуры в грунте. Решение проблемы в рамках существующей постановки задачи
2.2. Способы учет профиля температур
2.2.1. Учет профиля температур путем введения новой функции
2.2.2. Выбор контрольных точек.
2.2.3. Построение алгоритмов, программного комплекса.
Примеры расчета
2.3. Задание на границе условие непрерывности потока
2.3.1. Анализ границ применимости полученной методики. Вывод условия непрерывности потока на границе.
2.3.2. Применение полученных выражений в модернизации существующего программного комплекса. Алгоритм поиска решения.
2.3.3. Расчеты, иллюстрирующие полученную методику.
2.4. Нахождение зависимости параметров источника от внешних факторов.
2.4.1. Приведение полученного выражения к безразмерным величинам
2.4.2. Методика планирования эксперимента
2.4.3. Анализ полученной зависимости.
2.5. Описание теплового режима трубопровода с помощью симметрично расположенных источников.
2.5.1. Анализ применимости полученной зависимости в некоторых условиях
2.5.2. Введение в систему четырех симметрично расположенных источников
2.5.3. Построение алгоритмов поиска положения источников.
2.5.4. Введение параметра оценки точности решения
2.5.5. Проведение оценочных вычислений.
2.5.6. Анализ полученных результатов. Выводы.
Глава 3. Изучение температурных режимов системы заглубленных трубопроводов.
3.1. Оценка существующих методов по определению температурного режима
системы заглубленных трубопроводов
3.1.1. Причины определения температурных режимов системы заглубленных трубопроводов.
3.1.2. Трудности получения точного решения. Обзор существующих методик.
3.1.3. Учет теплового взаимодействия трубопроводов в системе в рамках существующих методик
3.1.4. Граничные условия и границы применения методики
3.2. Учет профиля температур и теплового взаимодействия трубопроводов с помощью четырех симметрично расположенных источников.
3.2.1. Анализ решения полученного традиционной методикой
3.2.2. Применение методики четырех симметрично расположенных источников
3.2.3. Анализ точности и оценка результатов.
3.3. Введение в систему источников для описания теплового режима каждого трубопровода.
3.3.1. Математическое описание модели с источниками на трубу
3.3.2. Трудности реализации программного алгоритма. Метод Гаусса
3.3.3. Решение модели с помощью источников
3.3.4. Анализ полученных результатов. Выводы
3.3.5. Исследование зависимости точности решения от количества источников на трубу.
3.3.6. Оценка границ применимости методики. Результаты
3.4. Сравнение полученной методики с численным решением
3.4.1. Расчет с одним источником на трубу. Описание расчетной модели.
3.4.2. Методика с использованием симметрично расположенных источников
3.4.3. Численное решение задачи. Результаты.
3.4.4. Анализ полученных результатов. Выводы
Глава 4. Определение падения температуры по длине трубопровода в коридоре коммуникаций.
4.1. Математическая постановка задачи
4.2. Современные способы расчета падения температуры по длине трубопровода в системе
4.3. Способы совершенствования существующих методик.
4.3.1. Введение источников для описания теплового режима каждой трубы в системе.
4.3.2. Описание математической модели для программного алгоритма
4.3.3. Определение мощностей с помощью обратных матриц. Получение суммарных тепловых потоков
4.3.4. Решение системы дифференциальных уравнений программными средствами. Метод Эйлера
4.4. Проведение эксперимента. Сравнение результатов.
4.4.1. Параметры модели. Некоторые результаты
4.4.2. Результаты по ореолу оттаивания.
4.4.3. Результаты по падению температуры.
4.4.4. Оценка полученных результатов. Выводы
Заключение.
Список литературы


Так как северные территории это, в основном, территории с низкими среднегодовыми температурами и широко простирающимися вечномерзлыми грунтами, то при проектировании сооружений на таких грунтах важную роль играет тепловой расчет. С одной стороны, необходимо обеспечить тепловой режим окружающей среды, чтобы не допустить протаивания вечной мерзлоты, с другой стороны, необходимо обеспечивать надлежащие эксплуатационные температуры, такие как температуры транспортируемых жидкостей, температуры внутри зданий, а также, подведенных к ним коммуникаций и пр. Ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, например, что вечномерзлые грунты под трубопроводами или зданиями начнут оттаивать, теряя при этом свою несущую способность, что может в свою очередь привести к аварии или даже к разрушению инженерного сооружения. Основная работа на северных месторождениях связана с добычей и транспортом нефти и газа, а так как в большинстве случаев транспортировка осуществляется посредством заглубленных трубопроводов, то понятно, что тепловой расчет подземных коммуникаций является одним из самых важных моментов при разработке проектных решений на территории крайнего севера. В последнее время совместная прокладка трубопроводов находит все большее применение. Это связано с тем, что с точки зрения строительства и эксплуатации, гораздо дешевле и проще прокладывать трубы нефтесбора, поддержания пластового давления и пр. А это значит, что тепловое влияние трубопроводов друг на друга будет существенным. Таким образом, тепловой расчет коридоров коммуникаций, расчет теплопотерь от совместно проложенных трубопроводов, а также теплофизическая ситуация вокруг системы в целом является сложной и в то же время актуальной задачей сегодня. На сегодняшний день существуют методики, позволяющие решать такие задачи численно. Обычно использование таких методик связано с известными проблемами, такими как выбор границ расчетной области, задание условий на границах и пр. Таким образом, большой интерес вызывают методики, позволяющие решать такие задачи аналитически. В работе 1, например, подробно рассмотрен целый ряд методик, позволяющих аналитически получать решения таких задач с некоторой степенью точности. Как правило, расчет с использованием таких методик связан с рядом ограничений и допущений и в некоторых ситуациях необходимая точность в процессе решения не может быть достигнута. Основные проблемы такой методики заключаются в том, что при тепловых расчетах, граничным условиям на поверхности трубопроводов удается удовлетворить только лишь в двух точках. Таким образом, можно сказать, что в этой методике не достаточно точно учитывается взаимное тепловое воздействие трубопроводов друг на друга. Более или менее удовлетворительные результаты можно получить лишь при условии того, что трубопроводы расположены настолько далеко друг от друга, что их тепловое взаимодействие не существенно. Кроме того, известные подходы для решения такого рода задач не позволяют учесть распределение температуры в грунте, вызванное сезонными процессами на поверхности. Однако, изменение температуры грунта на глубинах заложения коммуникаций под действием сезонных процессов может достигать десятков градусов. Следовательно, трубопроводы большого диаметра, применяющиеся для транспортировки жидкостей и газа, могут располагаться в различных температурных зонах, что не может не повлиять на теплофизическую ситуацию вокруг коридора коммуникаций в целом. В особенности это связано с тепловым расчетом газопроводов большого диаметра, где в качестве граничных условий, задавать температуру на поверхности трубопровода нецелесообразно, так как при существенно меняющейся по глубине температуре в грунте, температуры на верхней и нижней образующей газопровода могут существенно отличаться. В таком случае, более оправданными с физической точки зрения граничными условиями являются не равенство температур, а равенство потоков от газа к трубе и от трубы в грунт, что так же не представляется возможным в рамках существующих на сегодняшний день методик. Таким образом, становится понятно, что новая методика, позволяющая учитывать такие важные факторы, просто необходима, а получение ее представляет научный интерес.