CC BY
8[5] Руководство пользователя по программе STAR_CD. Computayional Dynamics Limited 1999
[6] Технический отчет по теме — “Bericht zu COMET numerische 3D-Simulation mit freier Wasseroberfläche” - Р.Лаузен - BAW - 99.3.03.06255.02 Карлсруэ. 2001 год.
[7] El Tahiy, S.H. 1983. 'k-e. equation for compressible reciprocating engine flows’, AIAA J. Energy, 7, No. 4, pp. 345-353.
[8] Gutachten über die seitliche Einleitung von Überschusswasser in den Einfahrtsbereich der Schleuse Nürnberg - технический отчет BAW. Автор Кастен Торенц - Карлсруэ - Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) - Nr. 3.03.10043.00 - Dezember 2003.
[9] Launder, B.E., and Spalding, D.В. 1974. ‘The numerical computation of turbulent flow’, Comp.
Meth. in Appl. Mech. & Eng., 3, p. 269. ■
[10] Mises R. Berechnung Von Ausffluss und uberfallsahlen. V.D.I. № 22, 1917, p. 74-94.
[11] Harlow, F.H. and Welch, J.E. 1965. ‘Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flows of fluid with free surface’, Phys. Fluids, 8, pp 2182-2187.
[12] Hirt, C.W. and Nicholls, B.D. 1981. ‘Volume of Fluid (VOF) method for dynamical free boundaries’, J. Comput. Phys., 39, pp.201-225. >
[13] Rodi, W. 1979. ‘Influence ofbuoyancy and rotation on equations for turbulent length scalc’, Proc.
2nd Symp. on Turbulent Shear Flows.
[14] WWW.adapco.com
[15] WWW.cd.co.uk [16} WWW.starcd.uk
THE FORMULATION OF FULL 3D MODEL OF DYNAMICS DEVELOPMENT OF WAVE PROCESS IN THE TOP APPROACH CHANNEL OF A LOCK
I. Lipatov
The full three-dimensional mathematical model of development of wave process in the top approach channel of lock is formulated in this article. The model describes behavior of free surface and turbulent processes into flow. For model are formulated boundary and initialization conditions, model of turbulence. The end of article have the choice of the software and a necessary computing resource for practical realization of model.
УДК 502:531.001.57
Е. А. Лукина, к. т. м., ассистент.
Е. Ю. Чебан, аспирант, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ НЕФТЕСБОРНОГО БОНОВОГО ЗАГРАЖДЕНИЯ
Проблема уноса нефти под боновое заграждение может быть решена применением нефтесборного бонового заграяедения, оснащенного встроенным эжектором и приемным устройством. При определении характеристик этого устройства были численно решены уравнения Навъе-Стокса для потока жидкости при различных скоростях Представлены результаты моделирования обтекания бона при различных скоростях течения и расходах через приемное устройство.
Эффективность использования боновых заграждений для локализации разливов нефти зависит от множества параметров, среди которых основными являются скорость течения потока, вязкость нефтепродукта и осадка бона. В настоящее время раз-
работаны как различные конструкции боновых заграждений, так и способы их постановки. Однако многие исследователи утверждают, что при скоростях нефти выше критических проскок нефти происходит независимо от высоты юбки бона. Из известных исследований можно сделать вывод, что при конечном объёме разлива бон может эффективно удерживать нефть только при скоростях течения меньших 0,5 м/с. В других случаях нефть по прошествии некоторого времени, зависящего от скорости течения и свойств нефтепродукта, начнёт уходить под бон.
В настоящее время разработано несколько моделей возникновения проскока нефти под боновым заграждением в зависимости от скорости течения реки и вязкости нефтепродукта: дренажный проскок, сквозной и критическое накопление [I]. По этим моделям по мере приближения к заграждению частицы нефти движутся с уменьшающимися скоростями относительно скорости потока воды. В результате возникают силы трения на границе раздела воды и нефти (нефтепродукта), являющиеся причиной уноса нефти под бон. Очевидно, что избежать уноса нефти под бон можно при равенстве скоростей движения воды и нефтяной пленки. Это возможно, если нефтяной пленке сообщить дополнительную скорость. То есть предотвратить проскок нефти под бон можно уменьшением межповерхностной силы сдвига.
Таким образом, поступающую нефть необходимо удалять с интенсивностью равной или несколько большей интенсивности её притока. Использование сборного устройства, расположенного на поверхности перед боном, должно привести не только к механическому удалению нефти в случае, если её количество превышает объём, который может быть удержан боном при заданных условиях без проскока. Следует ожидать, что в этом случае изменится распределение между вертикальной и горизонтальной составляющими скоростей течения слоев движущейся жидкости. На основании [3] можно считать, что для заданных объема нефти и осадки бонового заграждения существует (акая критическая скорость течения, при которой происходит проскок нефти под боновым заграждением. Требуется определить необходимый расход через сток для различной скоростей течения реки и вязкости нефтепродуктов, обеспечивающий отсутствие проскока нефти под преграду.
Нами данная задача решается в следующей постановке. Принята к использованию U-образная форма постановки бонового заграждения, поскольку в этом случае, требуется закрепление только двух концевых точек бона. Это обеспечивает наиболее быструю постановку заграждения, что немаловажно в речных условиях с повышенными скоростями течений. Сборное устройство моделируется стоком, расположенным внутри зоны, ограниченной боном (рис. 1). Задача решается в трёхмерной постановке. В расчётной области с размерами X = 15 м по направлению потока, Y = 10 м поперёк потока и Z = 3 м по глубине потока установлен бон, форма которого описывается параболой вида
У= У*2
/4 . Длина бона составляет 10 м, осадка 0,35 м. Через грань YOZ расчетной об-
ласти втекает вязкая несжимаемая однородная жидкость. Скорость течения варьировалась в диапазоне от 0,4 м/с до 1,2 м/с с шагом 0,1. Сток представляет собой прямоугольное отверстие с размерами 0,4 х 0,05 м в верхней грани расчётной области, расположенное на расстоянии 11,8 м вниз по течению. Расход через данное отверстие изменяется в вариантах счёта от 0,008 м3/с до 0,015 м3/с. Остальная жидкость вытекает через грань, расположенную ниже по течению за боном параллельно YOZ.
Для расчета поля скоростей в зоне бонового заграждения необходимо решить уравнения динамики жидкости Навье-Стокса [1]. Для предварительного определения поля скоростей и давлений была использована программа Flow Vision версия 3.70,XII. 94. Данная программа путем численного решения уравнений Навье-Стокса позволяет получить поле скоростей и построить линии тока для вязких жидкостей. Недостатком программы является отсутствие четкого алгоритма для решения задач реальных
двухфазных потоков. Были получены картины обтекания бонового заграждения потоком воды без учёта стока (рис. 2), и с учётом стоков различной производительности для различных скоростей течения реки (рис. 3).
Рис. 1. Геометрия задачи
а) б)
Рис. 2. Обтекание бонового заграждения без учета стока а) со скоростью течения V - 1,0 м/с, б) со скоростью течения V = 0,5 м/с.
Анализ проводился по линиям тока в полученных полях скоростей. Как видно из рисунка 3 картина обтекания бона со стоком существенно меняется. Наличие стока во всех случаях приводит к тому, что линии тока вблизи свободной поверхности направлены в сторону стока. При различных скоростях течения и производительностях стока толщина такого верхнего слоя различна и в проведённых расчётах составляет от 0,01 м до 0,05 м.
С увеличением отношения производительности стока к скорости течения реки можно наблюдать, что в сток также поступает жидкость и со стороны бона, то есть присутствуют отрицательные значения проекции скорости по оси X. В этом случае, сток удаляет нефть из зоны с внутренней циркуляцией. Таким образом, он препятствует возникновению критического накопления и дренажного проскока.
Следует отметить, что с увеличением абсолютной производительности стока расширяется зона его влияния в поперечном направлении потока.
а)
б)
Q=0.008 и *3/с Q=0.008 и *3/с
v=1.0m/c v=0.5 м/с
-ГГТП7 j t 1 ■.! :т : т 1 " Ч
<2=0.009 м*3/с v=1.0m/c 2=0.009м*3/с v~0.J м/с
{ , , , , , , . ...-- •
<2=0.011 м *3/с Q=0.011 и *3/с
v=I-° v=0.5 м/с
Рис. 3. Обтекание бонового заграждения с учётом стока
а) при скорости течения v = 1,0 м/с и производительностях стока Q = 0,008; 0,009; 0,011 м3/с\
б) при скорости течения v = 0,5 м/с и производительностях стока б - 0,008; 0,009; 0,011 м3/с.
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Скорость течения, м/с
Рис. 4. Зависимость толщины собираемого слоя от скорости течения
В ходе проведённого моделирования установлено, что условная толщина собираемого слоя зависит от отношения производительности стока к скорости течения реки. Графически данная зависимость представлена на рис. 4.
Полученные графические зависимости показывают, что при малых скоростях течения реки стоки небольшой производительности обеспечивают сбор слоя достаточно большой толщины. Однако возможность сбора значительных слоёв потока довольно резко падает. С дальнейшим увеличением скорости влияние производительности стока на толщину собираемого слоя заметно снижается. Следует ожидать некоторого значения скорости, при котором будет обеспечена возможность сбора слоя постоянной предельной толщины стоком определённой производительности. Таким образом, сток заданной производительности будет работать (гарантированно собирать соответствующий ему минимальный слой) в большом диапазоне скоростей течений.
Список литературы
[1] Чебан Е.Ю. Этин В.Л. Обзор математических моделей поведения нефтяного пятна в районе бонового заграждения // Материалы научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» - Н. Новгород, ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2003.-С. 167-169.
[2] Чебан Е.Ю. Лукина Е.А. Постановка задачи математическою моделирования границы раздела нефть - вода при проектировании устройств по локализации аварийных разливов нефти // Материалы IX Нижегородской сессии молодых ученых. - Н. Новгород, 2003.
[3] 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.
NUMERICAL SIMULATION STREAMLINES OF THE OILBOOM
WITH COLLECTOR E. A. Lukina, E. Yu. Cheban
Oil boom failure can be prevented by installation of the collector on boom. For definition of characteristics of this device Navier-Stokes equations are solved for various current speeds. The collector is entered in the equations as a drain. The results for various current speeds and productivity of a drain are presented.
УДК 502:629.12.002.3
H. Ш. Ляпина. к. x. доцент.
И. Б. Мясникава, к. х. н., старший преподаватель.
А. А. Иконников, к. т. н., доцент.
А. Н. Бородин, студент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ КАЧЕСТВА ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ И ПРИРОДНОЙ ВОДЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ КОНТАКТЕ С НЕКОТОРЫМИ СУДОВЫМИ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
В данной работе подведены итоги хронического эксперимента по влиянию продуктов деструкции судовых конструкционных материалов на некоторые показатели качества воды в системе «дистиллированная вода - материал», а также проведено сравнение данных по проводимому эксперименту «природная речная вода-материал».
