ОСОБЕННОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ

Введение. 
Затопленные струи возникают при повреждении трубопровода или скважины на дне водоёма. Для предотвращения такого рода утечек особенно важно знать траекторию распространения струи, а также параметры температуры, плотности и скорости струи. Зная данные параметры, характеризующие струю, легко исследовать её поведение и особенности взаимодействия с океанической водой. Ликвидация утечек нефти, возникающих при повреждении скважины, процесс сложный и трудоемкий. Исследование особенностей течения струй позволит спрогнозировать поведение струи и сократить время, необходимое на ликвидацию утечки.
Загрязнение водоёмов нефтепродуктами чаще всего связано с наличием подводных течений и их полем скоростей. Также немаловажную роль играют: глубина, на которой располагается трубопровод, интенсивность с которой поступает нефть из места разлива [1,2]. Исследование течения затопленных струй тесно связано с моделированием устройств, предназначенных для ликвидации последствий аварий на нефтедобывающих конструкциях [3].

Постановка задачи. 
В качестве примера истечения струи рассмотрим некоторый трубопровод на дне водоема, в котором образовалось отверстие известного радиуса, из которого поступают капли нефти и пузырьки газа. Согласно принятому для рассмотрения методу ИЛМКО струя рассматривается в виде последовательности элементов цилиндрической формы, с известными линейными размерами (рис.1). При распространении струи в стоячей воде происходит вовлечение окружающей воды в струю. Таким образом, если у места истечения истекают только капли нефти и пузырьки газа, то впоследствии струя состоит из капель нефти, пузырьков газа и вовлеченной в струю воды. Предположим, что углеводороды вытекают с температурой, которая превышает температуру окружающей воды. За счёт взаимодействия теплых капель и пузырьков с холодной водой водоёма температура струи начинает охлаждаться. Действием течения на струю будем пренебрегать в работе. 
Для моделирования распространения струи рассмотрим уравнения сохранения масс, импульса и энергии:

,
.

Здесь и далее  – масса,  – плотность,  – объемный поток,  –скорость водоёма,  – проекция  на направление ,  – сила тяжести,  – теплоемкость  – температура,  – разница плотностей среды и струи; индексы i=w, g, o относятся к воде, газу и нефти.
Объемный расход воды, которая вовлекается в струю из водоёма, вычисляется согласно:

,

где  – коэффициент вовлечения,  – число Фруда.

Рис.1 Схема затопленной струи (а), элемента струи (б), угол – угол между вектором скорости КО и плоскостью xOy, угол – угол между проекцией вектора скорости на плоскость xOy и осью Ox

Численные расчеты. 
Для расчетов параметров струи приняты следующие начальные значения: , , , , , .
На рис. 3 представлена зависимость температуры струи от вертикальной координаты. Понижение температуры струи связано с захватом струей холодной окружающей воды.

Рис. 23. Зависимость температуры струи от вертикальной координаты

Результаты. В работе рассмотрен процесс распространения затопленной струи в стоячей воде водоёма. В результате расчетов получили траекторию струи, зависимость температуры струи от вертикальной координаты. 

Работа выполнена при поддержке гранта СФ БашГУ № В17-63.

1. Гильманов С.А., Шабаев Р.Б. Экспериментальное исследование струй положительной плавучести в воде // Современные проблемы физики и математики. 2004. Т. 2. С. 44-48.
2. Кильдибаева С.Р. Моделирование течения углеводородов в затопленной струе // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 1697.
3. Кильдибаева С.Р. Моделирование процесса всплытия гидратных частиц в куполе // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. С. 687.

Все статьи автора «Кильдибаева Светлана Рустамовна»