Компьютерное моделирование разлива дизельного топлива по водной поверхности

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 004.94:614.84

С. И. Поникаров, В. А. Алексеев, П. В. Вилохина

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛИВА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

ПО ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Ключевые слова: компьютерное моделирование, дизельное топливо, Fluent.

Предложены принципы построения геометрической модели. Приведены ключевые параметры, влияющие на компьютерное моделирование разлива дизельного топлива по водной поверхности. Эксперимент проведен в программе «Fluent» и получены карты разлива и проведена их оценка.

Keywords: computer simulation, diesel fuel, Fluent.

The proposed principles of the geometrical model. Some of the key parameters affecting the computer simulation of spilled diesel fuel on the water surface. The experiment was performed in the program "Fluent" and obtained maps of the spill and evaluated.

В настоящее время для нефтедобывающей промышленности России остро стоит вопрос о обеспечении экологической безопасности на объектах расположенных вблизи или на акваториях. К надежности подводных переходов нефтепроводов предъявляются высокие требования, так как даже незначительные повреждения подводных переходов с потерей герметичности приводят к тяжелым экологическим последствиям [1].

Количество вытекших нефтепродуктов зависит от размеров повреждения, от места повреждения и от времени, за которое его обнаружили и устранили. Количество вытекших нефтепродуктов может оказаться значительным даже при относительно небольших повреждениях, если они остаются незамеченными в течение длительного времени.

Данные о характере поведения пятна нефтепродуктов дают возможность максимально быстро ввести средства борьбы с утечкой и сократить количество вытекших нефтепродуктов, а, следовательно, уменьшить экологический ущерб

Процесс моделирования розливов

нефтепродуктов является сложной задачей из-за большого числа факторов, которые влияют на рост, движение пятна по водной поверхности. К таким факторам относятся:

- начальный объем пятна;

- физико-химические характеристики пятна из нефтепродуктов;

- состав и направление течения под пятном и вокруг него;

- направление ветра над пятном. Некоторые физико-химические и биологические процессы: перенос пятна, турбулентная диффузия, гидродинамическое рассеивание, растворение, фотоокисление, погружение и всплытие и др. Все эти процессы и характеристики взаимосвязаны и должны рассматриваться вместе для получения более точных оценок поведения нефти [2]. В связи с вышеизложенным прогнозирование последствий аварийных розливов нефтепродуктов является очень важной задачей.

В данной работе представлены результаты экспериментальных данных, которые были проведены на установке по исследованию розлива нефтепродуктов по водной поверхности, смоделированной в пакете прикладных программ "ANSYSFLUENT"[3].

Был проведен численный эксперимент с растеканием дизельного топлива по водной поверхности. При проведении эксперимента были приняты некоторые допущения:

• Используется трехфазная модель (дизельное топливо, вода, воздух);

• Течение жидкости - ламинарное;

• Теплообмен между жидкостями отсутствует;

• Не учитывается испарение дизельного топлива с поверхности разлива.

Моделирование геометрической модели для расчетной области проводится в модуле Design Modeler, а моделирование процесса разлива нефтепродукта по водной поверхности проводится в решателе программного комплекса Fluent.

Моделирование процесса разлива состоит из следующих этапов [4] :

1. Создание геометрии

Построение геометрической модели проводим в модуле Design Modeler. В начале, создаем эскизы (Sketch), далее по этим эскиза создаем объемы с помощью функций выдавливания (Extrude) и выдавливания по контуру (Sweep). Полученные объемы нужно объединить в группу.

2. Создание расчетной сетки

Расчетную сетку создаем в модуле Mesh, для всех объемов выбираем метод построения сетки Multi Zone. В том же меню выбираем опцию Sizing и задаем размеры ребрам объему воды (Water). Зададим граничные условия, путем назначения наименований нужных нам поверхностей с помощью «Createnamedselection». Для входа и выхода "Inlet" и "Outlet", соответственно, для стенок "Wall". Модель экспериментальной установки показана на рисунке 1.

Рис. 1 - Сеточная модель для моделирования разлива жидкостей

3. Импортирование сетки и проверка правильности сетки

Переходим к модулю Fluent, в первую очередь проверяем сетку, объемы не должны быть отрицательными, иначе Fluent не будет проводить расчеты.

4. Выбор решателя

Данная задаче решается с помощью модели Volume of Fluid.

5. Выбор определяющий уравнений, составляющую модель

6. Задание физических свойств веществ

Задаем число фаз 3. Далее выбираем материалы

и задаем фазы. Обозначим, что «phase-1» - diesel, «phase-2» - wate и «phase-3» - air.

7. Задаем граничные условия

Зададим граничные условия на входе и выходе в «Define» ^ «Boundaryconditions...».

8. Устанавливаем параметры контроля решения. и проводим инициализацию поля решения.

Все начальные параметры для решения будут равными нулю, так как у нас нет избыточного давления и жидкость не имеет начальной скорости.

Граничные условия на входной границе, в качестве начального приближения, зададим:

«Solve»^- «Initialize» ^ «Initialize.....»

Далее скорректируем начальные данные: «Solve» ^ «Initialize» ^ «Path.».

9. Расчет

Для оптимального расчета задаем временной шаг. Затем начинаем расчет. После этих операций можно начинать расчет. Результаты расчета выводим командой: «Display» ^ «Contours.» ^ «Phase.».

10. Анализ результатов

Полученные данные эксперимента, с помощью построенной сеточной модели в программе "ANSYSFLUENT" , были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными с помощью эксперементальной установки.

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунках 2,3.

В результате обработки результатов экспериментов были составлены графики зависимости полученных площадей разлива с помощью экспериментальной установки и площадей разлива, полученных с помощью численного моделирования. График, отражающий результаты численного эксперимента представлен на рисунке 4.

Рис. 2 - Схема разлива нефтепродукта (диаметр отверстия 11 мм, время разлива - 5 сек.). Площадь разлива составила 94329 мм2

Рис. 3 - Схема разлива нефтепродукта (диаметр отверстия 11 мм, время разлива -2 5 секунд) Площадь разлива составила 291046мм2

Время, с

Рис. 4 - Сопоставление площадей разлива нефтепродуктов, полученных с помощью эксперимента, и площадей, полученных при моделировании

Исходя из данных, представленных на графике, делаем вывод, что модель описывает реальную установку с точностью ±7%, а данная методика адекватно описывает процесс розлива нефтепродуктов по водной поверхности.

Процент погрешности, который возникает при расчетах незначителен, что дает возможность использовать данную методику для прогнозирования последствий розлива

нефтепродуктов по водной поверхности.

Литература

1. Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» Выпуск № 1 (29) - февраль 2010 г. (http://ipb.mos.ru/ttb).

2. Романов Р.П., Алексеев В.А. Методы моделирования разливов нефти. Вестник Казанского технологического университета, Т.17, №8, с.293-296.

3. Вицин Д.Ю., Алексеев В.А. Моделирование аварийного истечения нефтепродуктов на проницаемой поверхности Вестник Казанского технологического университета. Т. 17. №4, 216

4. Алексеев В.А., Поникаров С.И., Алексеев С.В. Моделирование течения жидкости при разгерметизации резервуарного оборудования. Вестник Казанского технологического университета. Т.8 . №6, 232

© С. И. Поникаров - Д. т.н., профессор, заведующий кафедрой МАХП КНИТУ; В. А. Алексеев - К.т.н., доцент той же кафедры; П. В. Вилохина - аспирант той же кафедры, V_polina1@mail.ru.

© S. I. Ponikarov - Doctor of Technical Science, Professor, Head of Department of Mechanical MACP KNRTU; V. A. Alekseev -Candidate of Technical Sciences., associate professor , assistant professor of the Faculty of Mechanical MACP KNRTU; P. V. Vilokhina - postgraduate student of the Faculty of Mechanical MACP KNRTU, V_polina1@mail.ru, tel.