Селезнев В.Е., Прялов С.Н. Методы построения моделей течений в магистральных трубопроводах и каналах

Оглавление

Предисловие

Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена детальному описанию методов построения и численного анализа высокоточных математических моделей транспортирования газовых смесей, многокомпонентных жидкостей и газожидкостных сред по системам протяженных трубопроводов или каналов. Материал монографии в полной мере отражает точку зрения авторов на подходы к решению данной проблемы в современных условиях. Он содержит изложение методов и алгоритмов, которые не только нашли применение при решении актуальных производственных задач трубопроводного транспорта, машиностроения и энергетики, но и продемонстрировали высокую эффективность и надежность.

 В основу всех представленных ниже методов и алгоритмов положен единый подход, базирующийся на положениях расширенной концепции численного моделирования магистральных трубопроводных сетей, сформулированной В.Е.Селезневым.  Согласно этой концепции при переходе от базовых уравнений механики газов и жидкостей к математическим моделям функционирования трубопроводных или канальных систем широко применялось правило минимизации глубины необходимых упрощений и допущений. Соблюдение данного правила способствует максимально возможному сохранению исходной теоретически и экспериментально обоснованной аппроксимации реальных физических процессов базовыми математическими моделями механики сплошных сред. В то же время оно ограничивает излишнюю подробность (соответственно и сложность) конкретной модели. Это происходит в результате исключения из модели описаний отдельных составляющих процессов, ничтожность влияния которых на общую физическую картину течения среды в магистральных трубопроводах или каналах в рамках решаемой задачи является научно обоснованной.

Наличие единого подхода к разработке методов построения и анализа моделей течений в трубопроводах и каналах существенно упрощает их изучение, позволяя читателю без особых затруднений модифицировать описанные в книге (или строить новые) математические модели течений, специально ориентировав их на решение конкретных практических задач.

Следует отметить, что в монографию не вошли критические сравнения предлагаемых методов моделирования с другими разработками, а также примеры их тестирования и производственного применения. Такой подход к представлению материала объясняется тем, что информация по перечисленным аспектам уже была достаточно полно и детально приведена в предшествующих работах авторов, включенных в список цитируемых в книге источников. Поэтому ее дублирование в данной публикации представляется излишним.

Текст монографии разделен на семь глав и три приложения. При этом свыше 25% материала публикуется впервые, еще около 60% материала было переработано и дополнено по сравнению с предшествующими публикациями авторов книги. Первая глава монографии посвящена изложению метода построения математических моделей для полного спектра режимов неизотермических течений различных сред по неразветвленным рельефным магистральным трубопроводам. В качестве транспортируемых продуктов в главе рассматриваются однокомпонентный газ, многокомпонентная газовая смесь, многокомпонентная жидкость и газожидкостная смесь, включая неньютоновские жидкие фазы и суспензии. При этом весь спектр режимов двухфазных течений условно представляется в виде различных сочетаний трех обобщенных структур течения: расслоенной, пробковой и кольцевой.

Также в главе 1 достаточно подробно описывается подход к моделированию транспортирования газов в подвижном трубопроводе. Эта задача актуальна при анализе и прогнозировании последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся высокоамплитудным биением разорвавшихся газопроводов высокого давления в различных технических устройствах и системах.

 Материал первой главы дополняется приложением 1. В этом приложении рассматриваются практические аспекты получения по методу С.Н.Прялова расчетных оценок гидравлических сопротивлений трения в трубах при численном моделировании транспортирования газообразных и жидких продуктов по трубопроводным системам. Вторая глава представляет вниманию читателей универсальный способ построения математических моделей течений сред в протяженных разветвленных трубопроводах. При этом материал главы разделяется на три части, посвященные соответственно моделированию транспортирования газовых смесей, многокомпонентных жидкостей и газожидкостных сред. Последовательный переход от рассмотрения одной части к другой в направлении возрастания сложности объекта моделирования позволяет читателю детально разобраться в сути предлагаемого способа разработки моделей течений в узлах разветвления трубопроводов.

Основное содержание второй главы иллюстрируется приложением 2. В нем приводится вариант "альтернативной" записи условий сопряжения параметров газодинамических потоков в узле разветвления трубопроводов. Это позволяет проследить взаимосвязь предлагаемого во второй главе способа построения моделей с традиционным подходом к моделированию транспортных потоков в сочленениях магистральных трубопроводов. Третья глава посвящена распространению методологии из глав 1 и 2 на разработку высокоточных математических моделей неизотермических неустановившихся течений многокомпонентных теплопроводных жидкостей по магистральным сетям разветвленных каналов с открытым руслом.

 В немалой степени включение главы 3 в настоящую монографию объяснятся часто встречающимися заблуждениями о завершенности теории в области численного моделирования течений в сетях протяженных каналов c открытым руслом. К сожалению, несмотря на многообразие публикаций по данному вопросу, найти математические модели, адекватно описывающие течения многокомпонентных сред по протяженным разветвленным системам указанных каналов, и алгоритмы их численного анализа, пригодные для практического применения в компьютерных системах реального  времени, крайне затруднительно. В этой главе была предпринята попытка решения данной проблемы.

Также необходимо подчеркнуть, что наряду с получением практически значимой информации прочтение главы 3 будет способствовать углублению восприятия содержания глав 1 и 2.

В книге материал третьей главы дополняется приложением 3, в котором описываются подходы к численной оценке значений коэффициента Шези.

В четвертой главе дается детальное описание способов численного анализа математических моделей, методы построения которых были рассмотрены в главах 1–3. При этом излагается построение различных классов разностных схем, включая схемы повышенного порядка аппроксимации, в том числе полностью консервативные сплайн-схемы.

Наряду с анализом собственно разностных схем в этой главе обсуждаются способы численной реализации граничных условий в случае применения консервативных разностных схем и алгоритмы построения неравномерных по длине трубопроводов фиксированных разностных сеток.

Особое внимание в главе уделяется относительно новому варианту метода лагранжевых частиц, применяемому для анализа течения многокомпонентных теплопроводных сред при наличии  как линейных, так и кольцевых схем движения. По сути, рассматриваемый метод является специализированной модификацией подхода к решению гиперболических дифференциальных уравнений в частных производных известным методом характеристик.

В пятой главе содержится представление способов построения математических моделей крановых площадок (включая отдельные краны), автоматических регуляторов давления, течений при разрывах газопроводов, а также варианта метода оперативного обнаружения и локализации разрывов многониточных газопроводов.

В шестой главе рассматриваются способы моделирования процессов транспортирования природного газа через компрессорные цеха и компрессорные станции в целом, включая помпажные явления.

Отдельные разделы данной главы посвящены методам оптимизации квазистационарных и неустановившихся режимов транспортирования природного газа через компрессорную станцию.

В седьмой главе излагаются ключевые аспекты моделирования и оптимизации режимов транспортирования природного газа по сетям магистральных и/или распределительных газопроводов.

 Особое место в этой главе занимает описание двух идеологически родственных методов, а именно метода настройки интегрированных моделей газопроводных систем на реальные параметры сетей трубопроводов и метода численного анализа разбалансов в поставках природного газа по трубопроводным сетям (установившиеся и неустановившиеся режимы). В основе данных методов лежат подходы математической теории идентификации и нелинейного программирования.

Нумерация рисунков, формул и таблиц имеет привязку к главам и приложениям. При этом внутри главы первая цифра номера (цифра до разделительной точки) означает номер главы, а внутри приложения первая цифра номера после индекса "II" – номер приложения.

В заключение авторы монографии выражают глубокую признательность Владимиру Васильевичу Алешину, Владимиру Владимировичу Киселеву и Алексею Сергеевичу Комиссарову за участие в дискуссиях по отдельным главам книги и сделанные при этом ценные замечания. Авторы искренне благодарят Ирину Алексеевну Скитеву за организацию и сопровождение работ по оформлению и изданию монографии.

Сентябрь 2011 г., г.Саров

Об авторах

Доктор технических наук, профессор. Окончил с отличием Харьковский авиационный институт в 1985 г. После окончания института до 2006 г. работал в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г.Саров) в области создания военной техники, а также в области математического моделирования объектов сложных энергетических систем гражданского назначения. С 2006 г. по настоящее время занимается решением проблем высокоточного численного моделирования объектов энергетики и трубопроводного транспорта в рамках частных компаний. Профессиональные интересы: вычислительная гидромеханика, теория горения и математическая оптимизация. Автор более 200 научных работ, в том числе 12 монографий на русском и английском языках.

Сергей Николаевич ПРЯЛОВ

Кандидат технических наук. Окончил с отличием Московский государственный инженерно-физический институт в 1998 г. После окончания института до 2006 г. работал в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г.Саров) в области математического моделирования гидродинамических процессов в трубопроводных и канальных системах топливно-энергетического комплекса. С 2006 г. по настоящее время занимается высокоточным численным моделированием объектов энергетики и трубопроводного транспорта в рамках частных компаний. Профессиональные интересы: механика газов и жидкостей, численные методы механики. Автор более 120 научных работ, в том числе 7 монографий на русском и английском языках.