Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Возрастающие объемы транспортируемого газа, необходимость использования сверхвысоких давлений, достигающих 25 МПа, и прокладка морских газопроводов в северных морях потребовали проведения дополнительных исследований по созданию адекватных математических моделей течения газовой смеси в трубопроводах. Наличие многочисленных коммерческих пакетов, таких, например, как Fluent, ANSYS, Star-CD не дает оснований считать задачу полностью решенной. Дело в том, что математические модели и численные алгоритмы, используемые в этих пакетах, не универсальны, установление границ их применимости для сложных многофакторных задач транспортировки газа по морским газопроводам является предметом самостоятельного исследования. Достаточно сказать, что разработанные в последние годы в ОАО "Газпром" документы по проектированию морских трубопроводов предусматривают необходимость их доработки с учетом специфики задачи в каждом конкретном случае. В исследуемых задачах необходим учет протяженности подводного участка газопровода без промежуточных подстанций, сверхвысоких давлений газа на входе, сложного состава газовой смеси, низкой температуры окружающей воды в северных морях, обуславливающей возможность оледенения газопровода, конструктивных особенностей многослойной стенки газопровода и условий его прокладки.
Решение проблемы надежности и безопасности эксплуатации морских газопроводов невозможно без создания адекватной математической модели процессов транспортировки газа по морским газопроводам, поэтому тема диссертации является актуальной.
В цикле работ, проведенных в Санкт - Петербургском государственном университете на кафедре физической механики (мат.-мех. факультет) и кафедре вычислительных методов механики деформируемого тела (факультет ПМ-ПУ) была создана математическая модель установившегося безударного неизотермического течения вязкой неидеальной химически инертной многокомпонентной газовой смеси по морским трубопроводам круглого сечения с абсолютно жесткими стенками, имеющими многослойные покрытия.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является обобщение этой математической модели на нестационарные процессы транспортировки газа по морским газопроводам и выбор эффективных вычислительных алгоритмов, позволяющих рассчитать длительные нестационарные процессы за обозримое время.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использованы методы математического моделирования, методы механики сплошных сред, газовой динамики, термодинамики, конечно-разностные методы численного решения систем уравнений в частных производных, методы компьютерного моделирования.
ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ результатов обеспечена корректным применением методов математического моделирования, газовой динамики, численных разностных методов и методов компьютерного моделирования. Созданный комплекс программ прошел проверку на тестовых задачах.
Математическая модель нестационарного неизотермического безударного течения смеси газов по морскому газопроводу, учитывающая термодинамические и конструктивные особенности задачи (математическая модель I).
Вычислительные алгоритмы решения изотермического варианта математической модели I и комплекс программ на языке C + +, реализующий эти алгоритмы.
Дивергентная и недивергентная формы математической модели I и эффективный алгоритм численного решения общей системы уравнений математической модели I.
Комплекс программ на языке СН—Ь, реализующий решение общей системы уравнений математической модели I. Решение нестационарных задач о выходе газопровода на новый режим работы.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ: результаты, изложенные в оригинальной части диссертационной работы и перечисленные в п. 1-4 положений, выносимых на защиту, являются новыми.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ состоит в разработанном комплексе программ, позволяющем решать нестационарные задачи транспортировки газовой смеси по морским газопроводам. Решение этих задач дает возможность исследовать влияние функционирования морского газопровода на экологическую ситуацию в акватории; позволяет выбрать оптимальную конструкцию газопровода и допустимые режимы транспортировки газа на стадии технико-экономического обоснования и проектирования морских газопроводов.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ имеют математические модели I—IV, предложенные в диссертации. Они позволяют в изотермических (модель II) и неизотермических (модели I, III, IV) задачах о транспортировке газа по морским газопроводам максимально точно учесть термодинамику потока при сверхвысоких давлениях. Также теоретический интерес представляет проведенное в диссертации сравнение дивергентной (III) и недивергентной (IV) моделей транспортировки газа.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, две из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК рецензируемых научных журналов. Список работ по теме диссертации приведен на с. 16.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международном конгрессе "Нелинейный динамический анализ-2007", на Всероссийском семинаре по аэрогидродинамике (2008 г.), на международной конференции "Шестые Окуневские чтения", обсуждались на XXXVIII и XL международных научных конференциях аспирантов и студентов "Процессы управления и устойчивость", на международной научной конференции по механике "V Поляховские чтения", на семинаре "Компьютерные методы в механике сплошных сред", на семинарах кафедры вычислительных методов механики деформируемого тела и кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, а также на кафедре высшей математики Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Работа отмечена стипендией Президента Российской Федерации и стипендией правительства Санкт-Петербурга.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 123 страницы текста, 27 рисунков, 4 таблицы, список литературы включает 60 наименований.
