Особенности истечения затопленной струи

Кильдибаева Светлана Рустамовна — Wed, 20 Dec 2017 07:02:22 +0000

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.

Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » пузырьки газа

Особенности истечения затопленной струи