CC BY
29The article includes the issues of creating a three-dimensional model of ship breaking facilities, which specializes in ship breaking, the end of their operational life. This paper deals with analysis of the functioning of ship-breaking base; analysis of methods for determining the effectiveness of organizational and technical measures in the planned or existing ship-breaking facilities.
Keywords: naval surface modeling contours, cutting the hull, ship recycling.
УДК 532.5:001.5
Е.Ю. Чебан, к.т.н., доцент ФБОУВПО «ВГАВТ» А.А. Бушмелев, аспирант-стажер ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5а
МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА ПРИ ОБТЕКАНИИ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ МЕТОДАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
Рассмотрены различные методы исследования обтекания многофазным потоком пластины моделирующей боновое ограждение. Приведены результаты моделирования выполненного с помощью программы FlowVision с использованием различных моделей многофазных течений. В заключение рассмотрена возможность моделирования многофазных потоков альтернативными программными продуктами.
Ключевые слова: боновое ограждение, вычислительная гидродинамика, математическое моделирование, буксировочные испытания, опытовый бассейн, расчетная сетка, масштаб турбулентности, CFD.
Повышение эффективности оборудования по предупреждению разливов нефти остается актуальной задачей, особенно ввиду того, что риск возникновения малых разливов при выполнении технологических операций с нефтью и нефтепродуктами превышает риск крупномасштабных разливов на акватории.
Используемые в настоящее время на судах боновые ограждения обладают целым рядом существенных недостатков - они не учитывают массу разлива, особенности судов, условия плавания и технологию проведения операций ЛРН в судовых условиях. Проблема проектирования эффективных технических средств локализации заключается в необходимости обеспечения таких характеристик боновых ограждений, которые должны обеспечивать предотвращение уноса нефти за боновое ограждение при различных скоростях течения, что является основной проблемой при их эксплуатации.
В настоящее время описаны три модели уноса нефти под бон: капельный сквозной проскок, или унос; дренажный проскок и критическое накопление; показаны на рис. 1-4 [2,4,5,6]. Исследованию уноса нефти посвящено большое количество работ, в которых показано, что критическая скорость, при которой возникает унос нефти, составляет 0,5 м/с [2,4,5,6]. Унос нефти под бон объясняется сложными гидродинамическими процессами, происходящими в зоне раздела сред нефть - вода, обладающих различными физическими свойствами (плотность, вязкость, поверхностное натяжение) [2,4,5,6].
Рис. 2. Волнообразная форма пятна
Рис. 3. Перетекание нефти через нижнюю кромку пластины: а - вид сбоку; б - вид снизу
Б
Рис. 4. Взаимодействие нефтяного пятна с плоской стенкой: а) - локализация без уноса, б) - сквозной проскок, в) - дренажный проскок
В ранее выполненных работах [3,8] для исследования взаимодействия нефти с нефтесборными устройствами и боновыми ограждениями было обосновано использование численного моделирования на основе программного комплекса «FlowVisюn». При моделировании учитывалось, что FlowVision позволяет рассчитывать для несме-шивающихся жидкостей объемную концентрацию в модели «Свободная поверхность». Нефть моделировалась заданием уравнения для переменной «Концентрация» (рисунок 5).
Рис. 5. Результаты моделирования заданием уравнений по переменной «Концентрация
Как показали исследования выполненные Якубовым А.В. [9], такой метод моделирования позволяет решать задачи взаимодействия нефти с одиночными устройствами, например обтекание бонового ограждения. Моделирование взаимодействия нескольких устройств (рисунок 6) с помощью программного комплекса FlowVision, имеет некоторые особенности:
- Все устройства имеют разные геометрические размеры, поэтому для каждого из них необходима сетка с различным размером ячеек. Рассмотрение большого числа расчетных вариантов показало, что размеры ячеек расчетной сетки отличались на 1-2 порядка. В ряде случаев это приводило к невозможности получить сходящееся решение.
- Для адекватного моделирования нефтяной пленки на поверхности воды необходимо уменьшение вертикального размера ячеек из-за растекания нефти и уменьшения толщины пленки соответственно. Вследствие необходимости определения границы раздела между нефтью и водой, приходится значительно увеличивать количество яче-
ек и расчетное время. Это затрудняет использование имеющихся вычислительных ресурсов.
- При моделировании взаимодействия бонового ограждения и нефтесборного устройства, а также нефтесборных устройств и корпусов судов необходимо значительно увеличить количество расчетных ячеек, что увеличивает время счета.
- В моделируемых ситуациях объем жидкости в расчетной области превышает количество нефти в тысячу и более раз, поэтому при растекании пятна изолинии концентрации не позволяют точно определить положение нефтяного пятна при его растекании.
Рис. 6. Моделирование обтекания одного и нескольких объектов
Для преодоления отмеченных трудностей были предприняты попытки найти другую методику решения обсуждаемых задач. В работах [1,2] описан метод, в котором нефть моделировалась отдельными частицами, в частности каплями керосина и парафиновыми шариками.
Эксперименты [1,2] проводились в циркуляционном канале (рис. 7), заполненном чистой водой, длиной 1,2 м, шириной 0,3 м, глубиной 0,2 м. Модель заграждения из акриловых плит высотой 40 мм и толщиной 3 мм с заостренной гранью устанавливалась на расстоянии 0,4 м от конца канала. Для получения траекторий движения капель керосина и парафиновых шариков использовалась высокоскоростная цифровая камера.
Рис. 7. Размеры геометрически подобной модели канала
В эксперименте использовались парафиновые шарики (плотность 900 кг/м3), и капли керосина (плотностью 838 кг/м3), которые выпускались в непосредственной близости от дна канала. Диаметр шариков - 3,4,5 мм. Величина жидких капель контролировалась размером трубки, из которой выпускалась жидкость. Результаты эксперимента показаны на рисунке 8.
Рис. 8. Результаты экспериментов C.M. Lee, K.H. Kang и N.S. Cho
Поскольку в программном комплексе «FlowVision» реализована возможность расчета параметров движения частиц, то на первом этапе решено было сравнить результаты полученные [1,2] с результатами, полученными с помощью «FlowVision».
В работе [4,5,7] было показано, что одним из методов позволяющих моделировать взаимодействие боновых ограждений с нефтяным пятном является использование численных решений уравнений динамики вязкой жидкости с учетом турбулентности, когда нефтяное пятно моделируется ансамблем частиц или капель разного диаметра. Также в [7] показано, что моделирование движения лагранжевых частиц с помощью программного комплекса FlowVision с достаточной степенью точности совпадает с результатами натурных и численных экспериментов, выполненных [4] (рис. 9).
Однако во всех работах использовалось моделирование обтекания твердой пластины без учета свободной поверхности, которая должна оказывать влияние на характер движения частиц. Оценка такого влияния для речных условий в известных нам источниках не встречается. Кроме того, в работе [4] исследовалось обтекание двойных боновых ограждений и большей частью моделировалось всплытие частиц в зону между ограждениями, поэтому так же как и в работе [4], где основной целью являлась проверка и подтверждение возможностей модуля «Частицы» программного комплекса FlowVision, распространение пятна в зоне перед преградой не рассматривалось, хотя очевидно, что наличие свободной поверхности и в первую очередь волновых эффектов, может существенно отразится на характере обтекания преграды.
Для моделирования использовался программный комплекс FlowVision. Использовалась модель течения вязкой несжимаемой жидкости и модель движения лагранже-вых частиц с учетом модели турбулентности.
В качестве материала частиц использовался керосин, характеристики которого задавались из базы данных готовых веществ.
X/D
Рис. 9. Сравнение результатов C.M. Lee, K.H. Kang, N.S. Cho и FV при моделировании частиц парафина и с учетом k-e модели турбулентности
Комбинация граничных и начальных условий аналогично использовавшейся в [7,8].
Сетка - прямоугольная на основе первоначального ручного разбиения в области свободной поверхности. Дополнительные критерии адаптации не использовались. Сетка для всех расчетных случаев одинаковая.
Для сравнения результатов движения частиц со свободной поверхностью и без нее положение первоначальной точки было аналогично [7,8]. Задавались три размерные группы частиц, задаваемых в виде отношения диаметра частиц к осадке пластины - d/D.
Для частиц учитывались следующие параметры: изменение формы частиц при движении коэффициентом сопротивления (расчет в соответствии с моделью FlowVision), учет действия частиц на поток и изменение потока при движении ансамбля частиц.
Для определения влияния свободной поверхности было выполнено численное моделирование, аналогичное случаю без свободной поверхности. Использовалась аналогичная расчетная область с изменением пространства под свободную поверхность. Граничные и начальные условия были оставлены неизменными.
Было выполнено сравнение картины всплытия частиц с учетом свободной поверхности и без нее. Результаты моделирования приведены на рисунке 10 и показывают существенное отличие в результатах. Одной из причин такого отличия могут являться волновые и вихревые процессы в тыловой области преграды.
Рис. 10. Результаты экспериментов: а) без учета свободной поверхности; б) с учетом свободной поверхности
Также необходимо отметить изменение характера волновой поверхности при различных скоростях. Если при скорости 0,14 м/с происходит интенсивное волнообразование (рисунок 11) и преобразование волн при отражении и интерференции, то при скорости 0,23 м/с волнообразование несущественно (рисунок 12). Степень влияния волновых процессов на обтекание боновых ограждений многофазным потоком должна быть изучена дополнительно, что уже начато, в том числе и численными методами.
Рис. 11. Характер движения частиц на поверхности при скорости 0,14 м/с
Рис. 12. Характер движения частиц на поверхности при скорости 0,23 м/с
Для сравнения с моделированием по переменной «концентрация» был проведен эксперимент, когда вместо частиц керосина из той же самой точки, что и частицы, выпускался поток, задаваемый концентрацией. Результаты показаны на рисунке 14. Отсутствие всплытия может быть объяснено гидродинамическим давлением, прижимающим поток керосина к дну, ограниченными размерами и направлением движения потока.
в)
Рис. 13. Характер волновой поверхности при различных скоростях (0.14 м/с, 0.19 м/с, 0.23 м/с соответственно)
Рис. 14. Результаты моделирования заданием уравнений по переменной «Концентрация»
Все это позволяет отметить ряд проблем, которые оказывают существенно влияние на точность моделирования и могут привести к нарушению физической картины процесса в ряде случаев.
Программный комплекс FlowVision при моделировании нефтяного пятна частицами разного диаметра не учитывает процессы их агрегации (слипания), в результате чего достоверность моделирования может быть нарушена. На основании изучения документации к ANSYS Fluent был сделан вывод, что с помощью данного программного модуля эта проблема может быть решена с большей точностью при меньших затратах машинного времени.
Кроме того ANSYS Fluent [10] имеет ряд следующих преимуществ:
1. Расчет на неструктурированных сетках. Представлены наборы элементов различных форм: четырехугольники и треугольники для двумерных расчетов, гексаэдры, тетраэдры, полиэдры, призмы, пирамиды для трехмерных расчетов.
2. Высокая расчетная мощность.
3. Широкий набор настроек турбулентности и возможность добавления пользовательских настроек обеспечивают корректное моделирование турбулентности для любых видов течений.
4. Улучшенные пристеночные функции позволяют повысить точность результатов в пограничных слоях.
5. Возможно моделирование неограниченного числа фаз для любого сочетания жидкостей, газов, твердых тел.
6. Для потоков со свободной поверхностью, например, для волн, где важно спрогнозировать поверхность раздела фаз, доступна модель объема жидкости (Volume of Fluid).
Список литературы:
[1] Этин В.Л. Классификация разливов нефти и нефтепродуктов по месту аварии на внутренних водных путях./ Этин В.Л., Васькин С.В.// Нефтегазовое дело. - 2011. - №1, т.10. - С. 94-100.
[2] Комаровский Д.П., Липский В.К. Взаимодействие нефтяного пятна на поверхности водотока с боновым заграждением.//Природные ресурсы №4. Изд. Академии наук Республики Беларусь. Минск, 2003 г.
[3] Чебан Е.Ю. Использование программного комплекса «FlowVision» для разработки методики оценки эффективности нефтесборного бонового ограждения. // «САПР и графика», - Москва: Изд. «Компьютер-Пресс», 2007. - С. 92-96.
[4] 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.
[5] Lee C.M., Kang K.H. «Investigations on containment-capability and dynamic response of an oil fence in waves,» Annual Report of Advanced Fluids Engineering Research Center, AFR-93-F01, pp. 1-42, 1994.
[6] Clavelle E.J., Rowe R.D. Numerical simulation of oilboom failure by critical accumulation. Proc. 16th Arctic and Marin Oilspill Program Technical seminar, Calgary, June 7-9, 1993. Vol 1. -[Ottawa], 1993. - C. 409-418.
[7] Чебан Е.Ю., Смирнова М.Л. Особенности использования различных модулей программного комплекса FlowVision при моделировании обтекания технических средств локализации и ликвидации разливов нефти // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Инженерные системы 2009», серия «Прикладные исследования в механике» Т1, - М.: Изд. МФТИ, 2009. - С.81.
[8] Чебан Е.Ю. Численное моделирование обтекания нефтесборного бонового ограждения с применением программного комплекса «FlowVision». // Вестник ВГАВТ: Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 130-139.
[9] Якубов А.В., Чебан Е.Ю. Постановка задачи определения характеристик судового нефтес-борного устройства. Труды конференции «Инженерные системы 2007», серия «Прикладные исследования в механике», - М.: Изд. МФТИ, 2007. - С. 144-150.
[10] ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 14.0 Southpointe November 2011.
MODELING OF MULTIPHASE FLOW AROUND PLATE BY CFD METHODS
Y. U. Cheban, A.A. Bushmelyev
Different methods investigations for flow around plate that modeling oil spill boom is consider. Results of numerical simulation used FlowVision CFD code are given. In this case was used different methods simulation of multiphase flows. In conclusion opportunity of multiphase flows modeling by another computer code considered.
