CC BY
19[2] Нестеров А.Б. Исследование эффективности конструктивной бортовой защиты при аварийном столкновении судов// Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. - ЦНИИ «Рубин». - Л.: 1984. - Вып. 40. - С. 46-52.
[3] Лепп Ю.Ф. Танкеры, не загрязняющие море при катастрофах. / В сб.: Человек, море, техника.-Л.: Судостроение, 1982.
[4] Лепп Ю.Ф. Учет энергопоглощающей способности борта крупнотоннажных танкеров при столкновении // Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. - ЦНИИ «Рубин». - Л.: 1978.-Вып. 17.-С. 115-120.
[5] Лепп Ю.Ф. Оценка энергоемкости бортовых конструкций танкеров при столкновениях // Судостроение. - 1978. - № 8. - С. 6-9.
[6] Лепп Ю.Ф. Оценка защищенности грузовых помещений судов от повреждений при столкновениях//Судостроение. - 1980. - № 5. - С. 10-13.
A STUDY OF METHODS FOR INCREASING THE SAFETY OF SHIP’S STRUCTURE DUE TO COLLISIONS
T. A. Kuznetsova
The aim of the present study is to evaluate energy absorption capacity of different ships' structures due to collision and to choice the most effective structure
УДК 502:531.001.57
Е. Ю. Чебан, аспирант, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ НЕФТЕСБОРНОГО БОНОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «ЕЕОХУУШОШ
Экспериментальное определение эксплуатационных характеристик боновых ограждений и нефтесборных устройств, применяемых при локализации и ликвидации аварийных разливов нефти, является крайне сложной задачей. Экологическая опасность и сложность гидродинамических процессов препятствуют проведению натурных и модельных экспериментов. Альтернативным способом может быть применение численного моделирования с помощью С/Т> - программ. В данной работе изложены основные положения и особенности моделирования обтекания бонового ограждения оснащенного нефтесборным устройством с помощью программы «Ь~1оыУ1$юп>1.
Обзор литературы
Боновые ограждения применяют для локализации и ликвидации разливов нефти на водной поверхности. Основной проблемой их применения, является так называемый «проскок» или «унос» нефти под боновое ограждение, возникающий при совместном действии течения, свойств нефти и нефтепродуктов, объема разлива и эксплуатационных характеристик оборудования. Идентифицированы три модели проскока для барьеров сдерживающих нефтяное пятно. Это капельный сквозной проскок, дренажный проскок и критическое накопление. Сквозной проскок возникает, когда существует достаточно высокая относительная скорость. Капли отрываются от поверхности раздела и если не существует достаточного времени для сил плавучести поднять капли обратно к поверхности пятна, они могут уйти под барьер. В случае дре-
нажного проскока, межповерхностные силы сдвига, которые увеличиваются с увеличением межповерхностной скорости, вызывают укорочение и утолщение пятна.
Основной причиной возникновения уноса является сила сдвига на границе нефть-вода, вызывающая вызывает нестабильность поверхности, что приводит к погружению и накоплению большого количества нефти в передней части заграждения. Разрушение циркуляционного течения внутри пятна, возникающее при нарушении баланса сил плавучести нефтяных частиц и действующих на них сил со стороны потока воды, также сопровождается значительными изменениями силы сдвига, что приводит к уносу.
Кроме того, одиночные заграждения испытывают волновое движение и деформируются на течении, которое также снижает эффективность преград (Ли и Кэнг 1995, 1996).
Для определения правильной осадки преграды для предотвращения проскока и условий, при которых возникает проскок, Лейбович (1976) предсказал критическую скорость отделения нефтяных частиц от поверхности, используя теорию нестабильности Кельвина-Гельмгольца. Много позже Кордибан (1990-1992) успешно сформулировал предсказанные условия, при которых поверхность становится нестабильной под действием потенциальных течений, принимая во внимание свободно-поверхностные волны. Вязкостные эффекты стабильности поверхности были исследованы Эртеки-ным и Сандарахаваном (Эртекин и Сандарахаван 1995, Сандарахаван и Эртекин 1997) численно проанализировав течения вокруг нефтяной преграды. Критическая скорость течения, при которой возникает унос и увеличивается накопление нефти для одиночного заграждения, экспериментально предсказаны многими авторами, например, Лао и Моером (1979) и Феннелопом (1983) [3].
Ли и Кэнг (1996) показали, что увеличение осадки при скоростях выше 0,5 м/с не приводит к предотвращению уноса, вследствие возникновения изгибающих деформаций на течении, которые прямо соответствуют течению и становятся более значительными для длинных юбок. К тому же при увеличении осадки растягивающие усилия на юбке увеличиваются. Таким образом, существует ограничение сборной способности нефтяного заграждения простым увеличением длины юбки (осадки боново-го ограждения).
В этом случае, одним из способов предотвращения уноса нефти под боновое ограждение становится применение нефтесборных устройств (НСУ), позволяющих удалять нефть из фронтальной области бонового ограждения со скоростью, предотвращающей ее унос под бон.
В представленном исследовании рассмотрена возможность предотвращения уноса нефти с помощью бонового ограждения оснащенного нефтесборным устройством и рассмотрены зависимости величины производительности НСУ от условий эксплуатации, характеристик нефтепродуктов и бонового ограждения.
Постановка задачи моделирования
При применении бонового ограждения оснащенного НСУ унос нефти (У) [1] под боновое ограждение будет зависеть от скорости течения, объема нефти (массы нефти), длины бонового заграждения, осадки бонового заграждения, глубины потока в месте расположения бона, физико-химических свойств нефти и нефтепродуктов (вязкости и плотности), расхода, обеспечиваемого нефтесборным устройством.
У =/(УгУ -Ьв-Тб-Н ><3 >м) (1)
где Уг- скорость течения, м/с;
V - масса разлива, т;
Ь6 - длина бонового ограждения, м;
Т6 - осадка бонового ограждения, м;
Н - глубина водоема, м;
<3 - производительность нефтесборного устройства, м3/ч;
|д„ - динамическая вязкость нефтепродукта, кг/мс.
Очевидно, что отсутствие уноса нефти под бон обеспечивается при У=0,
Уравнение (1) записано для самого общего случая процесса локализации и ликвидации разлива нефти. Решение задачи потребует проведения значительного объема теоретических и экспериментальных исследований, поэтому для упрощения задачи была принята, обычная в таких случаях, гипотеза о том, что процесс локализации и ликвидации разлива нефти можно описать только на глубокой воде, а затем учесть влияние мелководья с помощью специального коэффициента.
Экспериментально установлено, что нефть в условиях речного разлива движется по поверхности реки в виде узкой полосы. Если отношение проекции длины бонового ограждения 16 на плоскость перпендикулярную оси потока к ширине полосы (Вп) у В„>6, то можно считать, что унос нефти под боновое ограждение произойдет раньше, чем она успеет распространиться вдоль ограждения. Это позволяет не учитывать длину бонового ограждения при дальнейших исследованиях уноса. Таким образом выражение (2) можно записать в виде:
Количественное определение величины уноса нефти под боновое ограждение наталкивается на ряд принципиальных трудностей:
- неявно выражена граница раздела фаз из-за достаточно небольшой разности их плотностей и высокой турбулентности;
- нефть уносится под бон в виде капель или пленок, которые быстро рассеиваются в толще воды и поэтому объем их оценить невозможно [6].
Для преодоления этих трудностей в работе унос или «проскок» нефти под боно-вым ограждением был определен как появление любого количества нефти за боковым ограждением.
Интерес представляет решение проблемы уноса в широком диапазоне скоростей. Из работ [6,7] известно, что обычное боновое ограждение, не оснащенное нефтесборным устройством, может удержать нефть и нефтепродукты до скорости течения 0,5 м/с. При большей скорости течения требуется применение других схем сбора, в частности использование нефтесборного оборудования. Таким образом, до скорости 0,5 м/с унос является функцией только скорости течения, осадки, объема разлива, вязкости нефти и, как показано в работах [6, 7] может быть предотвращен изменением осадки бонового ограждения. Следовательно при У=0 осадка является целевой функцией и будет зависеть от скорости течения, объема разлива и вязкости нефти.
При скоростях течения больших 0,5 м/с увеличение осадки не позволяет предотвратить унос нефти. В этом случае одним из способов предотвращения уноса нефти под боновое ограждение, становится применение нефтесборных устройств, позволяющих удалять нефть из фронтальной области бонового ограждения со скоростью, предотвращающей ее унос под бон. Отсюда возникает задача определения производительности нефтесборного устройства в зависимости от условий эксплуатации, харак-
(2)
(3)
(4)
теристик нефтепродуктов и бонового ограждения. При У=0 эту зависимость можно записать как:
Численное моделирование
Теоретическое моделирование ранее использовало только одномерный анализ, основанный на уравнении количества движения (инерции, кинетической энергии) и баланса давления и сил сдвига. Как таковой метод не применяется для циркуляции в пятне или усреднял текущее поведение пятна (поведение пятна на течении). Этот метод также требовал коэффициента трения для поверхности раздела нефть - вода. Коэффициент трения в реальности трудно установить и показать зависимость от обеих вязкостей, скорости течения воды и расстояния вниз по течению текущей границы нефтяного пятна.
Альтернативным подходом может быть применение уравнения Навье - Стокса для описания взаимодействия двухфазного потока с боновым ограждением в виде неподвижной вертикальной стенки. Точного аналитического решения этих уравнений на сегодняшний день не существует и единственным методом их решения остается применение приближенных численных методов, реализуемых СРВ-программами.
Для исследования работы нефтесборного бонового ограждения в этом исследовании применялась программа «Р1омуУшоп». Основой программы является численное решение уравнений движения вязкой жидкости Навье-Стокса и уравнений конвектив-но-диффузионного переноса в частных производных в неупрощенном виде. В настоящее время она успешно используется для исследования обтекания сложных объектов с учетом свободной поверхности, таких как корпуса судов.
Для описания свободной поверхности в модели используется функция УОР (Р), принимающая значения 0 (газ) и 1 (жидкость). Возможность применения подобной функции для изучения взаимодействия нефтяного пятна и преграды было рассмотрено в работе [7], однако в этой работе функция УОР использовалась только для получения поверхности раздела между нефтью и водой, а наличие свободной поверхности при этом не учитывалось, что объясняется трудностями численного решения уравнений гидродинамики, в связи с малой скоростью ЭВМ используемой Клавелье. В настоящее время увеличение мощности ЭВМ более чем на два порядка и совершенствование программ, позволяет решить задачу обтекания бонового ограждения, в более близкой постановке к реальным условиям их эксплуатации, а именно в виде трехмерного течения двухфазной жидкости со свободной поверхностью. В программе Р1о\у-У1зюп свободная поверхность представляется набором фасеток, отсекающих расчетную область. Рассчитываются все ячейки, в которых присутствует жидкость.
Математическое описание движения жидкости включает следующие уравнения.
- уравнения Навье-Стокса.
(3 = /(Уг*Р -т .//.)
(5)
(6)
уу=о
- уравнения для К-е модели турбулентности:
ь-
(( \ ц С, Уе + е к
\\ / *
С,+“С:Г,(е -вы)
(9)
где:
£м - начальное значение турбулентной диссипации;
ЗУ
Тдх>
'дУ,, ауг
, дх< дх,.
(10)
Значение параметров к-е:
Ок=1; «1=1; См=0,09; С,=1,44; С2=1,92; ц=ц+р,; Р=0; Г, = 1 , ^-1
- уравнение переноса функции заполнения Б (УОБ):
УУЯ =0
- коэффициенты ц, X, Э, Ср определяются по формуле:
(П)
(12)
- модель массопереноса.
В программе «РЬиЛ^юп» переменная С - массовая концентрация инертной примеси, однако, для задач с поверхностями раздела между двумя несмешивающимися жидкостями (нефть и вода) переменная С определяется как объемная концентрация второго вещества, для которой решается уравнение конвективного переноса.
—+у(ус) =0 д1 4 '
(13)
Одной из проблем возникающих при моделировании обтекания тел является правильный выбор размеров расчетной области. В представленном исследовании, размеры расчетной области выбирались исходя из отсутствия изменения давления, вызванного обтеканием стенки потоком жидкости на расстоянии от бонового ограждения.
Рис. 1. Вид расчетной области
Таблица 1
Типи границ и граничные условия
Грани Тип границы Граничное условие
Г4, Г9, Гб, ГЗ (бон) Симметрия (symmetry) Концентрация: ~- Скорость: - -V-і = о dn = 0 Г vn = o 9
Г5 «вход/выход» (inlet|outlet) Конце1гграция: Г = fw = 0 Скорость: Vn = Vw,yi = Q
Г1 «вход/выход» (inlet|outlet) Концентрация: f = fw = 1 Скорость: Vп = Vw. V{ = 0.
Г2 «вход/выход» (inlet|outlet) Концентрация: f = fw = 0 Скорость: vn = ~Vw, V( = 0
Г7.Г8 «свободный выход» («free outlet») Концентрация: ¿L dn Скорость: P = 0 = 0 r
Расчетная сетка формировалась на основе первоначального грубого разбиения с последующим автоматическим адаптивным измельчением второго уровня по переменной «концентрация» и свободной поверхности. Комплекс «РкжЛ^юп» позволяет создавать прямоугольную расчетную сетку, высокое качество разрешения геометрии достигается с помощью технологии подсеточного разрешения геометрии и адаптивного измельчения по граничным условиям и скалярным переменным. Начальная сетка формировалась с учетом формы бонового ограждения, необходимости обеспечения высокой плотности сетки у свободной поверхности и в месте рахтива нефти (рис. 2,3).
Для представления результатов моделирования использовались изолинии концентрации нефти, вектора скорости и изоповсрхность функции УСЖ Наличие уноса определялось визуально по изолиниям и изменению направления векторов внутри нефтяного пятна, что свидетельствует о наличии циркуляционного течения и следовательно может являться критерием возможности уноса нефти под боновое ограждение.
Рис. 2. Начальное разбиение сетей
Рис. 3. Адаптивно-локальное измельчение сетки в области нефтяного пятна
Предварительное тестирование программы «FlowVision» проводилось сравнением результатов полученных с помощью программы «Fluent 4.32». Критерием воспроизводимости являлось возникновение циркуляционного течения вну три пятна, а также форма пятна [5] в аналогичных условиях.
в. г.
Рис. 3. Результаты эксперимента для параболического бона Т = 0.5 м, V =- 0.9 м/с, объем разлива 5 м3, расчетное число ячеек 45603, время интегрирования 35.43 сек. время счета 40 часов.
Рис. а, б, в - изолинии концентрации нефтепродукта, г - линии тока
Рис. 4. Изоповерхность нефти при отсутствии уноса при плоском боновом ограждении
Объем разлива 6 м3 1 с; 0,1 м/с
5 1 0,2 м/с 0,3
я | 05. — м/с 0,4 м/с 0,5 м/с
О о
0,00123 0,2 0,4 0,6 0,8 Вязкость, Н*с/м2
Рис. 5. Зависимость осадки от скорости течения (а), объема разлива (б) и вязкости (в)
Численный эксперимент проводился в два этапа - для определения вида зависимостей (4) и (5), в следующем диапазоне изменения факторов: скорости - 0,1-0,5 м/с и 0,5-1,5 м/с; объеме разлива - 0,5-10 м3; вязкости - 0,00123-0,8 Нс/м:. Осадка определялась из эксперимента по определению зависимости осадки от скорости течения, объема разлива и вязкости нефти.
По результатам экспериментов были построены зависимости производительности НСУ от скорости течения, осадки бонового ограждения, объема разлива и вязкости нефти и осадки бонового ограждения в зависимости от скорости течения, вязкости нефтепродукта и объема разлива. Результаты в виде экспериментов в виде графиков построенных по аппроксимирующим зависимостям представлены на графиках
объем разлива 5 м3
-осадка 0.5 м
- осадка 0,7 м осадка 0,9 м
-осадка 1,1 м
- осадка 1,25 м
0,5 0,75 1 1,25
скорость течения м/с
1.5
объем разлива 5 м3
с
- 0,5 м/с
- 0,75 м/с -1 м/с
-1,25 м/с -1,5 м/с
осадка бона, м
Рис. 6. Зависимость производительности НСУ от скорости течения (а) и осадки бонового ограждения (б)
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- осадка бонового ограждения в большей степени зависит от скорости течения и вязкости нефти и нефтепроду ктов. Скорость течения и вязкость связаны с возникновением циркуляционного течения внутри нефтяного пятна, возникающего только при определенном соотношении вязкости и скорости течения.
- осадка сильнее зависит от объема разлива при больших его значениях.
- производительность нефтесборного устройства повышается с увеличением скорости течения,
- величина производительности снижается с увеличением осадки бонового ограждения.
Список литературы
[1] Комаровский Д.П., Липский В.К. Взаимодействие нефтяного пятна на поверхности водотока с боковым заграждением // Природные ресурсы. - № 4. - Минск: Изд. Академии наук Республики Беларусь, 2003.
[2] Численное решение задач гидромеханики / Под ред. Р. Рихтмайер. - М.: Мир, 1977. - 208 с.
[3] Обзор состояния проблемы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти при авариях нефтеналивных судов // Материалы научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья». - Н. Новгород; ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003.'
[4] Aksenov A.A., Dyadkin A.A., Pokhilko V., Overcoming of Barrier between CAD and CFD by Modified Finite Volume Method, Proc 1998 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, San Diego, ASME PVP-Vol 377-1, 1998.
[5] Chang-Fa An, Case study: CFD analysis helps develop up to 4X faster oil containment boom, DaimlerChrysler Technology Center, Auburn Hills, Ml, 2001.
[6] Clavelle E.J., Rowe R.D. Numerical simulation of oilboom failure by critical accumulation. Proc. 16lh Arctic and Marin Oilspill Program Technical seminar, Calgary, June 7-9, 1993. Vol 1. - [Ottawa], 1993.-C. 409-418.
[7] Lee C M., Kang K.H., Cho N.S.. Trapping of leaked oil with tandem oil fences with Lagrangian analysis of oil droplet motion. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Vol.120, February 1998, p 50-55.
[8] Лаврентьев M.A.. Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. - М.: Наука, 1977.-408с.
NUMERICAL SIMULATION OF OILBOOM WITH SCIMMER PROCESS BY USING «FLOWVISION» COMPUTER CODE
E. Cheban
Experimental definition of oil spill boom and skimmers characteristics may be very difficult problem. Ecological dangerous and difficult of hydrodynamics process are prevent natural and modeling experiments. Another method of oil spill simulation may be using numerical methods of CFD-code. The main principles and peculiarity of simulation streamlines of oil boom with skimmer by using «FlowVision» computer code is given.
УДК 626.421.4
И. В Липатов, к. т. н., доцент. ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
В статье рассматривается вопрос о численном моделировании напряжений, возникающих в резьбовой паре муфта/шток, являющейся самым нагруженным элементом всей системы механического оборудования шлюза. Задача решается в оси симметричной постановке применительно к диаметральному сечению узла. В завершении статьи приводится краткий анализ характера распределения концентраций напряжений по впадинам штока и муфты соединения и дается прогноз области наиболее вероятного трещина образования.
