CC BY
12
УДК 629. 78. 064 DOI: 10.17213/0321-2653-2017-1-69-72
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРОБКОВОЙ ВОЗДУШНО-ВОДЯНОЙ СТРУКТУРЫ ОТ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
УПРУГИХ СТЕНОК ТРУБОПРОВОДА
© 2017г. Ю.С. Левкин
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Россия
FORMATION OF THE DEFORMED GAS SUSPENSION IN PITH STRUCTURE, FROM IMPACT ON HER OF CROSS VIBRATION
Y.S. Levkin
Togliatti State University, Tolyatti, Russia
Левкин Юрий Степанович - соискатель, зав. лаборатория- Levkin Yurij Stepanovich - competitor head of the Laboratory, ми, кафедра «Промышленная электроника», Тольяттинский department «Industrial Elektronik», Togliatti State University, государственный университет, г. Тольятти, Россия. E-mail: Tolyatti, Russia. E-mail: pe@tltsu.ru pe@tltsu.ru
Проведены экспериментальные исследования пробкового двухфазного газожидкостного потока, подвергаемого поперечной вибрации. Реализованы изменения пробковой структуры водовоздушного потока. Классическая двухфазная газожидкостная структура, попав в поле поперечной вибрации всей поверхностью упругой трубы, находится в исходном состоянии до определенного порога вибрационных ускорений. Получена новая вибрационная структура двухфазного газожидкостного потока. Найдены вибрационные параметры, ограничивающие влияние на всю палитру изменения гидродинамических структур. Найдена эмпирическая формула определения пробковой структуры деформированной газовой взвеси. Приведена графическая иллюстрация зависимости вибрационных ускорений от частоты вибрации, для режима вибрационной деформированной газовой взвеси и фотосессия характеристики рассматриваемого режима. Работу можно использовать во многих отраслях научной деятельности, в которых встречаются двухфазные потоки с пробковой структурой под прессингом вибрационного воздействия.
Ключевые слова: двухфазный поток; газовая фаза; жидкая фаза; вибрационные параметры; поперечная вибрация; газожидкостной поток; режим вибрационной деформированной газовой взвеси; упругая труба; пробковая структура; низкочастотные колебания.
The pilot studies of the pith two-phase gas-liquid flow subjected to cross vibration are conducted. Changes of pith structure of an air-and-water flow are realized. Classical two-phase zhidkostnogazovy structure, having got to a field of cross vibration by all surface of an elastic pipe, is in the initial status to a certain threshold of vibration acceleration. The new vibrational structure of a two-phase gas-liquid flow is received. The vibrational parameters restricting its influence on all palette of change ofhydrodynamic structures are found., the empirical formula by determination ofpith structure of the deformed gas suspension Is found. Are brought graphic lustration of dependence of vibration accelerations on vibration frequency for the mode of the vibrational deformed gas suspension and the photo of the characteristic of the considered mode. Operation can be used in many branches of scientific activities in which two-phase flows meet pith structure under pressure of vibrational influence.
Keywords: two-phase stream; gas phase; liquid phase; vibration parameters; cross vibration; gas-liquid stream; the mode of the vibration deformed gas suspension; elastic pipe; pith structure; low-frequency fluctuations.
Двухфазные потоки повсеместно встреча- ные давления порядка 700 атм и температур око-
ются во многих отраслях народного хозяйства, в ло 100 °С на устье скважины, безусловно,
том числе и в энергетике; нефтегазовая добыча - превращают газожидкостную смесь в дисперс-
одна из энергетических двигателей её развития. ную структуру. Снижение давления и темпера-
Структурные изменения двухфазного потока туры последовательно изменяют структуру
начинаются с эксплуатационной «ёлки». Огром- потока.
Необходимость исследования неустановившихся двухфазных течений, особенно газожидкостных, вызвана широким их распространением в различных промышленных установках. Гидравлические потери в трубопроводах зависят от структуры двухфазного потока, и с этой точки зрения наиболее существенным является переход пробковой в расслоенную структуру [1].
Транспорт пробковой структуры более затратный из-за резких перепадов давления, поэтому с изменением первоначальной структуры получаем снижение энергетических затрат перекачки рабочего агента [2, 3].
Использование энергетических возможностей вибрационного электродинамического стенда позволяет получать изменения первоначальной пробковой структуры двухфазного потока [4].
Изучение двухфазных потоков весьма актуально, так как жидкая фаза точно так же, как и газообразная, под действием изменения температур и давлений легко меняет своё агрегатное состояние. Воздействие вибрационных параметров изменяет структуры двухфазных потоков. Вибрационная деформированная газовая взвесь является одним из аналогов пробковой структуры двухфазного потока, а процесс её воздействия на полости упругих труб можно считать комплексом гидродинамических явлений, законы которых существенно сложнее, чем законы гидродинамики однородных сред.
Полученная структура двухфазного потока по своим характеристикам, в первом приближении, относится к однофазному потоку, так как вибрационное воздействие позволяет нейтрализовать газовую фазу путём её поглощения жидкостью. Такому же поглощению подвергаются и твёрдые частички как продукт абсорбции химических реакций. Структура вибрационной деформированной газовой взвеси может быть использована для очистки труб при транспорте рабочего агента.
Сложная совокупность влияний самых разнообразных по своему существу и природе факторов на процесс движения смесей делает далеко непростым получение на основе теоретического анализа расчётных уравнений, устанавливающих зависимости между основными характеристиками двухфазного потока. Так, исследования показывают, что если процесс движения смесей и может быть математически описан в форме системы дифференциальных уравнений, то интегрирование таких уравнений оказывается
или невозможным, или исключительно технически сложным [5].
Классическая пробковая структура дестабилизирует течение двухфазного потока, вызывая пульсацию при смешивании фаз, и является одной из гидродинамических её характеристик. Рассматриваемая структура (вибрационная деформированная газовая взвесь) более предпочтительна в применении. Способность нести абсорбированный материал рабочего тела является её структурной особенностью. В химической промышленности такая структура, безусловно, востребована.
Результаты проведённых исследований приведены таблице. Зависимость вибрационных параметров, влияющих на пробковую структуру, в диапазоне режима вибрационной деформированной газовой взвеси / The dependence of the vibration parameters that influence cork structure, in the range mode of vibration of the deformed gas suspension
/в, Гц 30 40 50 60 70
«в (g) 3 4 4 5 7
пв 0,3 0,4 0,4 0,51 0,71
По значениям этой таблицы построен график рис. 1, из которого вытекает эмпирическая логарифмическая зависимость, представляющая аналитическое понимание процесса: пв = 0,42 Ьп (/в)—1,17 .
Полученная структура находится в области низкочастотных вибрационных колебаний 30 - 70 Гц.
20 30 40 50 60 70 80 /в пв= 0,42 Ln f) - 1,17 Рис. 1. Зависимость пв = f (fB) вибрационных ускорений от частоты вибрации для режима образования
вибрационной деформированной газовой взвеси / Fig. 1. The dependence of пв = f (Q vibration accelerations from the frequency of the vibration mode of education vibrating deformed gas suspension
На рис. 2 показано движение по упругой трубе из органического стекла двухфазного потока пробковой структуры, который подвергался поперечной вибрации в диапазоне вибрационных параметров, приведённых в таблице, на стационарном стенде ВЭДС - 200А [6].
fB = 30 Гц ив = 3g
fB = 50 Гц пв = 4g
fв = 60 Гц Пв = 5g
fв = 70 Гц Пв = lg Рис. 2. Режим вибрационной деформированной газовой взвеси / Fig. 2. Mode of vibration of the deformed gas suspension
Температура воды 7,5 - 8,0 °С, а воздуха 8,7 - 9,2 °С. Сочетание расхода жидкой фазы QB, от 1,9 до 2,7 л/мин, и воздуха Qr, от 0,03 до 0,06 см3/с позволило получить пробковую структуру с размерами поперечного сечения трубы 4^20 мм и длиной 80 см.
Истечение воды происходило из алюминиевого бака. Уровень водяного столба составлял 2660 мм. Воздух подавался заводской компрессорной установкой в верхнюю часть трубы, расход которой определялся ротаметром РС-5. Газожидкостная смесь, проходя через прозрачную трубу, фотографировалась, что позволяло определить структуру потока в поле поперечной вибрации. В результате эксперимента обнаружена чётко сформировавшаяся новая вибрационная структура по всему участку трубы. На получаемую структуру оказывали воздействие низкочастотные колебания в пределах 30 ^ 70 Гц и вибрационные ускорения от пв = 1 g и до 7 g, которые и определили рассматриваемую структуру.
Режим вибрационной деформированной газовой взвеси является третьим аналогом проб-
ковой структуры двухфазного потока. Рассматриваемая структура теряет автономный характер межфазного контакта. Пузыри по мере увеличения вибрационных ускорений удаляются от верхней стенки в средину трубы.
Рост образования пузырей газовой фазы в верхней части трубки снижается, а при значительных вибрационных ускорениях происходит их локализация. Жидкая фаза фактически «проглатывает» пузыри, теряя упругость газожидкостного потока, тем самым уменьшая возможности проявления кавитации [7].
Физически это выглядит следующим образом. Гребень волны, получив нормальное ускорение от нижней стенки трубы, движется вверх, разрушаясь при ударе о верхнюю стенку. При ударе о верхнюю стенку гребень разрушается таким образом, что одна его часть внедряется влево от точки соприкосновения с трубой, а другая - вправо. Растекаясь по верхней стенке трубы в разные стороны, жидкость захватывает газовые пузырьки с помощью противотока, вынуждая двигаться пузырьковую часть газовой фазы внутри трубы. Противоток в жидкой фазе получается путём срезания пузырей с верней части трубы струями жидкой фазы. Этот фрагмент наблюдается на рис. 2,/в = 70 Гц и пв = 7 g за счёт встречи разнонаправленных горизонтальных струй. Расстояния между вибрационными волнами определяет частота вибрации. Турбулентность вызывает деформацию всей структуры. Это хорошо просматривается на всех фрагментах рис. 2 [8].
Замечено, что при максимальных вибрационных нагрузках внутри жидкой фазы оказывались не только частички, плотность которых была меньше плотности жидкой фазы, но и продукты абсорбции, выпавшие в осадок в результате химических реакций.
В нефтяной промышленности использование структуры вибрационной деформированной газовой взвеси возможно при работах подземного ремонта скважин. В частности очистки ствола скважины от парафина в трубах и «затрубных» пространствах, струнах и участках трубы, по которой происходит течение добываемой нефтяной эмульсии в мерные резервуары при вторичной добыче нефти с помощью плунжерных глубинных насосов.
Работу по очистке технологической обвязки труб, станков качалок типа СК осуществляют, как правило, передвижные пропаривающие агрегаты высоких давлений. При прокачке
образуется пробковая структура, которая иногда переходит в снарядный режим. Высокие температуры и давления способствуют появлению продольной вибрации в стволе скважины и на горизонтальных участках или с небольшим уклоном труб, близким а > 0. На горизонтальных участках наблюдается снижение всех параметров движущегося рабочего агента. На затруднительных участках движения возможно применение поперечной вибрации для улучшения транспорта рабочего агента.
Режим вибрационной деформированной газовой взвеси находится в диапазоне формулы:
0,68 Ьп (/в) - 2,44 > п > 0,42 Ьп (/в) - 1,17.
Режим вибрационной деформированной газовой взвеси получен в диапазоне вибрационных параметров эмпирической формулы при вибрационном воздействии на пробковую двухфазную структуру потока, особенностью которого является отсутствие полного или частичного контакта деформированной газовой фазы со стенками упругой трубы.
1. Структура вибрационной деформированной газовой взвеси может быть использована в нефтедобывающей промышленности, как средство очистки осадка от нефтепродуктов с внутренней поверхности труб.
2. В химической промышленности возможно применение описываемой структуры. В случае абсорбции твёрдых примесей, выпавших в осадок, вибрационная деформированная структура способна очистить ствол рабочей трубы от нежелательных включений путём их захвата и
перемещения в живое сечение жидкой фазы, рис. 2 при/=70 Гц, пв =7g.
3. Структура вибрационной деформированной газовой взвеси при её транспорте в упругой трубе улучшает её энергетические показатели (неразрывность потока струи, снижает сопротивление стенок, аннулирует скачки давления и т. д.).
Литература
1. Кутателадзе С.С., Стырнкович М.А. Гидравлика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. 296 с.
2. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И., Точигин А.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1969. 208 с.
3. Дорошенко В.А. О динамике неустонавившихся двухфазных течений в горизонтальных трубах // Изв. вузов. Энергетика. 1974. № 2.
4. Левкин Ю.С. Метод пространственно-графической интерполяции экспериментальных исследований двухфазных потоков // Ашировские чтения: тр. VII междунар. науч.-практ. конф. Т. II. Туапсе, 2010. С. 255 - 262.
5. Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия, 1974. 408 с.
6. Левкин Ю.С. Дефект газожидкостного стратифицированного потока, от влияния поперечной вибрации // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук: Спец. выпуск «Проблемы нефти и газа» Самара, 2007. С. 145 - 148.
7. Левкин Ю.С., Лиманова Н.И. Проблемы и перспективы развития двигателестроения // Диагностика состояния газожидкостных потоков в поле поперечной вибрации / Вестн. Самарского гос. аэрокосмического ун-та им. С.П. Королёва. Ч. 3, 2011. № 3. С. 20 - 27.
8. Левкин Ю.С. Псевдо-турбулентный вибрационный режим стратифицированного двухфазного потока // Наука и технологии : сб. науч. тр. М. РАН; Миасс, 2010. С. 115 - 117.
References
1. Kutateladze S.S. Styrnkovich M.A. Gidravlika gazozhidkostnykh system [Hydraulics of gas-liquid systems]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 296 p.
2. Mamaev V.A. Oshariya G.E., Semionov N.I., Tochigin A.A. Gidrodinamika gazozhidkostnykh smesey v trubakh [Hydrodynamics of gas-liquid smesey in pipes]. Moscow, Nedra Publ., 1969. 208 p.
3. Doroshenko V.A. O dinamike neustonavivshikhsya dvukhfaznykh techenii v gorizontal'nykh trubakh [About dynamics nonstationary two-phase currents in horizontal pipes]. Izv. vuzov. Energetika, 1974, no. 2.
4. Levkin Yu.S. [Metod of spatial and graphic interpolation of pilot studies of two-phase streams]. Ashirovskie chteniya: tr. VII Mezhdunarodnaya Nauchno-prakticheskaya konf. [Ashirovskiye of reading: тр. VII International Scientific and practical conference]. Tuapse, 2010, pp. 255 - 262. [In Russ.]
5. Kh'yuitt Dzh., Kholl-Teilor N. Kol'tsevye dvukhfaznye techeniya [Ring two-phase currents]. Moscow, Energiya Publ. 1974. 408 p.
6. Levkin Yu.S. Defekt gazozhidkostnogo stratifitsirovannogo potoka, ot vliyaniya poperechnoi vibratsii [Defect of the gas-liquid stratified stream, from influence of cross vibration]. Izv. Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk: Spets. vypusk «Problemy nefti i gaza», Samara, 2007, pp. 145 - 148. [In Russ.]
7. Levkin Yu.S., Limanova N.I. Problemy i perspektivy razvitiya dvigatelestroeniya [Problems and prospects of development of engine-building]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta imeni S.P. Koroleva, 2011, no. 3, pp. 20 - 27. [In Russ.]
8. Levkin Yu.S. Psevdo-turbulentnyi vibratsionnyi rezhim stratifitsirovannogo dvukhfaznogo potoka [The pseudo-turbulent vibration mode of the stratified two-phase stream]. Sbornik nauchnykh trudov «Nauka i tekhnologii» [The collection of scientific works «Science and technologies»]. Miass, 2010, pp. 115 - 117. [In Russ.]
Поступила в редакцию /Received 05 декабря 2016 г. /December 05, 2016
