CC BY
5
УДК 001.891; 004.94
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-313-316
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИТИКИ ДАННЫХ
А.М. Исайкина
В статье проводится оценка гидродинамических потерь на участке трубопровода, в котором находятся отложения, образующиеся в трубах в результате эксплуатации. Проводится сравнение полученных данных с характеристиками трубопроводов, не имеющих отложения. Необходимость исследования связана с тем, что отложения, образующиеся в трубопроводах, значительно снижают их пропускную способность и характеристики потоков, что особенно важно для промышленных предприятий и ответственных элементов трубопроводов. Анализ, обработка и получение данных было проведено с помощью компьютерного моделирования в программном обеспечении. Приводятся данные о скорости потока, массовом расходе и давлении в трубопроводе. Представлены схемы движения воды по трубопроводах и непосредственные модели движения воды. Делаются выводы о характере изменения скорости и давлений, а так об их количественном изменении. Даются рекомендации о том, как избежать подобных ситуаций и снизить последствия подобной обстановки. Приводятся другие результаты трехмерного моделирования в программах для оценки гидродинамических характеристик потоков.
Ключевые слова: аналитика данных, математическое моделирование, гидродинамика, труба, водоснабжение, характеристики, трубопровод.
Трубопровод является важной составной частью не только зданий, но и промышленных предприятий и оборудования. Однако при его эксплуатации возможно образование отложений, особенно, если вода имеет примеси и не проходила многоступенчатую очистку. В этом случае образуются отложения, которые в значительной мере могут повлиять на характеристики потока, на его давление, скорость и массовый расход, что в свою очередь может вызвать проблемы в работе оборудования [1-4]. Однако в некоторых случая можно избавиться от отложений в трубопроводах, но данный процесс очень трудоемок, поэтому возможна замена трубопроводов, но в случае, если не удается заменить сразу весь трубопровод и меняется лишь его часть, то в таком случае исследование того, как повлияет эта манипуляция является весьма важной задачей. Потому что для обеспечения прежних и стабильных характеристик требуется более мощное оборудование, а также большие энергозатраты.
Решение данной задачи возможно с помощью компьютерного моделирования [5-10] и заключается в сравнении характеристик водных потоков на участках двух водопроводов: один из которых не имеет отложений, а второй - имеет. Компьютерное моделирование позволяет определить необходимые параметры, поэтому именно этот способ был взят для исследования. Были выбраны 2 трубопровода каждый длиной 1 м. При этом у одного из них меняется площадь, и форма поперечного сечения как показано на рис. 1. Для моделирования была выбрана программа Ansys, с помощью которой можно изучить и получить необходимые данные и гидравлических параметрах истечения жидкости из трубопровода.
Рис. 1. Представление потока воды в трубе с отложениями
313
Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып. 3
Для обоих трубопроводов с помощью компьютерного моделирования были определены гидравлические характеристики, а именно давление, скорость и массовый расход на выходе из трубопровода (табл. 1). Поток моделировался при начальной температуре 2 м/с, при физико-химических характеристиках воды, выбранных стандартными из библиотеки программы Ansys.
Характеристики потоков на выходе
Параметры Скорость, м/с Давление, Па Массовый расход, кг/с
Обычная 2 0,86 0,00103629
С отложениями 1,8 0,7 0,0009
Моделирование проводилось при учете, что трубопровод с отложениями был заменен не полностью и до, и после участка с отложениями расположены участки с гладкими стенками. Исследовался турбулентный поток жидкости. Как показало исследование, то на гладком участке трубопровода без отложений скорость, массовый расход и давление не менялось в конце участка, относительно начала. Поэтому отправной точкой сравнения будет считаться именно труба без отложений. Как показало исследование, скорость, давление, а также массовый расход падают на 10-20% относительно гладкой трубы.
Также для более детального и комплексного изучения были получены схемы движения потока воды в разрезе (рис. 2).
Velocity
Plane 1
2.431 е+00
гт
1,823е+00
1.216е+00
- 6.078е-01
О.ОООе+ОО [m SM]
Velocity Plane 1
- 5.070е+00
- 3.804е+00
2 5386+00
1 271е+00
- 5.225е-03 [т 8я-1]
б
Рис. 2. Скорость потока в разрезе
а
В гладком трубопроводе средняя скорость от начала и до конца рассматриваемого участка не меняется, но вблизи к стенке скорость падает. Во втором же случае имеется 3 участка: 1 - гладкий до участка с отложениями, 2 - с отложениями, 3 - последний гладкий участок. При его рассмотрении было установлено, что на первом участке скорость и иные параметры стабильны, однако после площадь поперечного сечения уменьшается поэтому меняются и характеристики потока.
Таким образом исходя их результатов моделирования были определены гидравлические характеристики потоков в разных трубопроводах. И было установлено, что отложения значительно меняют характеристики и поэтому необходимы профилактические меры по очистке трубопроводов, а также в случае его образования - своевременная замена труб с отложениями на новые в том случае, если от этих характеристик очень сильно зависит работа оборудование.
Список литературы
1. Назаров И.А., Справочник проектировщика. Водоснабжение население населенных мест и промышленных предприятий. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1977. 288 с.
2. Попкович Г.С., Гордеев М.А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведе-ния. Учебник для вузов. М., Высшая школа, 1986. 392 с.
3. Белоконев Е.Н., Попова Т.Е., Пурас Г.Н. Водоотведение и водоснабжение. М.: Феникс, 2012. 384 с.
4. Булавин Л.А., Выгорницкий Н.В., Лебовка Н.И. Компьютерное моделирование физических систем // Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. 352 с.
5. Лычкина Н.Н. Современные тенденции в имитационном моделировании // Вестник университета. Серия Информационные системы управления. М., 2000. №2. 136 с.
6. Никитин А.В. Компьютерное моделирование физических процессов. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 679 с.
7. Исайкина А.М. Исследование характеристик потоков в трубопроводе методом математического моделирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 4. С. 448-451.
8. Вайцель А.А. Анализ потерь в трубопроводе с применением программных продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 336-339.
9. Гаврюхина А.В. Применение современных программных средств для решения гидродинамических задач водоснабжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 10. С. 269-272.
10. Вайцель А.А., Сиренко Е.Р., Гаврюхина А.В. Анализ совмещения нескольких потоков различной температуры в современных программных комплексах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 95-98.
Исайкина Анастасия Михайловна, студентка, angel12vat@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS USING MATHEMATICAL MODELING AND DATA ANALYTICS
A.M. Isaykina
The article evaluates hydrodynamic losses in the pipeline section, in which there are deposits formed in pipes as a result of operation. The obtained data are compared with the characteristics of pipelines that do not have deposits. The need for research is due to the fact that deposits formed in pipelines significantly reduce their throughput and flow characteristics, which is especially important for industrial enterprises and critical elements of pipelines. Analysis, processing and data acquisition was carried out using computer simulation in software. Data on flow rate, mass flow and pressure in the pipeline are given. Schemes of water movement through pipelines and direct models of water movement are presented. Conclusions are drawn about the nature of the change in speed and pressure, as well as about their quantitative change. Recommendations are given on how to avoid such situations and reduce the consequences of such a situation. Other results of three-dimensional modeling in programs for estimating the hydrodynamic characteristics of flows are presented.
Key words: data analytics, mathematical modeling, hydrodynamics, pipe, water supply, characteristics, pipeline.
Isaykina Anastasia Mikhailovna, student, angel12vat@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
