Введение к работе
Актуальность проблемы. Общеизвестно, что транспортировка нефти и нефтепродуктов относится к разряду рисковых производств. Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных магистральных нефте- и продуктопроводов, морских и речных судов показывает, что несмотря на самые высокие мировые требования, предъявляемые к надежности, и большие финансовые затраты на своевременное и качественное техническое обслуживание, безотказная их работа невозможна. Потери от смешения и утечек при трубопроводном транспорте, из резервуаров от неполного слива нефтеналивных судов, железнодорожных и автомобильных цистерн, обводнения, зачистки, а также вследствие аварий, разливов, разбрызгивания и испарения наносят огромный ущерб экономике страны, загрязняют почву, грунтовые воды, реки, моря и водоемы. Особую опасность представляют подводные переходы, на долю которых приходится до 2% общей протяженности магистралей. Анализ борьбы с нефтяными загрязнениями на водных объектах показывает, что существующие технологии и технические средства не всегда эффективны (при наличии течения, в холодный период времени, на мелководных водоемах, а также при очистке любых водных объектов от следов нефти) и требуют дальнейшего совершенствования.
Только мировые сбросы нефти в море с учетом разливов при катастрофах достигают 10 млн.т/год. Кроме прямого ущерба, нефть и нефтепродукты, образуя на поверхности водоемов масляные пленки, могут существенно нарушить тепло-влаго- и газообмен между океаном и атмосферой, а это влияет на формирование климата, поскольку за счет океана вырабатывается значительная доля осадков и кислорода, необходимых для существования жизни на Земле.
Одним из наиболее перспективных способов является сбор нефти с поверхности водоемов в холодный период времени при помощи нагреваемого вращающегося барабана или транспортера, в котором захват нефтепродукта осуществляется за счет адгезионных свойств поверхности. При этом нефть предварительно разогревают путем подачи в цилиндр барабана горячего пара, поскольку при температуре ниже 15С нефтяной слой начинает застывать, что приводит к затруднению сбора и падению производительности. Это обусловливается наличием в составе нефти битумов, парафинов и асфальтенов, которые постепенно «превращают» жидкую фазу нефти в твердую. Ввиду сложности гидродинамических и теплофизических процессов в барабанном нефтесборщике до настоящего времени их математическое описание не разработано.
Проблема сбора нефтебитумов с поверхности воды в экологических формациях рассматривалась многими исследователями, среди которых можно выделить В.Ш. Шагапова, И.Ю. Хасанова, Ф.Ф. Абузову, И.С. Бронштейн и др. В данных работах исследованы процессы сбора нефтебитумов с поверхности воды, но не сформулированы условия захвата нефти нефтесборщиком.
Исследованию температурных полей с подвижными границами фазового перехода (задача Стефана) посвящены работы Ж. Ламе, Б. Клапейрона, И. Стефана, Л.С. Лейбензона, А.Н. Тихонова, А.А, Самарского, Л.И. Рубенштейна, А.В. Дацева, В.Г. Меламеда и др. Различные модификации задачи Стефана рассматривались Н.А. Авдонином, А.В. Дацевым, Г. Карслоу, Д. Егерем, А.В. Лыковым, А.И. Фридманом и другими исследователями, однако в их трудах учитывалась лишь однокомпонентная или бинарная смесь.
Целью диссертационной работы является построение математической модели гидродинамических и теплофизических процессов в барабанном нефтесборщике и анализ полученных результатов.
Основные задачи исследования:
математическое описание процесса адгезионного удаления вязких и структурированных углеводородов с поверхности воды вращающимся цилиндрическим ротором;
построение решения гидродинамической задачи о сборе жидких углеводородов с поверхности воды барабанным нефтесборщиком;
построение решения модифицированной задачи Стефана для многокомпонентной системы с диапазоном фазового перехода;
проведение вычислительного эксперимента в широких пределах изменения параметров модели, характеризующих технологию
удаления плавающих нефтяных углеводородов.
Научная новизна. Исследование температурных полей при работе нефтесборщика приводит к нелинейным задачам математической физики с подвижными границами, решение которых представляет значительный научный интерес. В работе решены нелинейные задачи для многокомпонентной системы, связанные с процессами фазового перехода, происходящими в интервале температур при сборе нефтебитума ротором нефтесборщика. Кроме того, найдены условия захвата нефтебитума нефтесборщиком, существования вала перед движущимся ротором и перелива.
Практическая значимость. Разработана математическая модель гидродинамических и теплофизических процессов при сборе нефтебитума роторным нефтесборщиком, а также математическая модель теплофизических процессов, происходящих вблизи поверхности барабанного нефтесборщика. Построены аналитические решения, и на их основе выполнены расчеты, позволяющие оптимизировать процесс сбора нефтепродуктов с водной поверхности нефтесборщиком.
Достоверность основных результатов диссертационной работы обоснована применением в качестве исходных посылок основных законов сохранения и других фундаментальных физических законов. Из более общих решений, полученных в диссертационной работе, следуют частные, которые согласуются с результатами других исследователей.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Математическая модель гидродинамических процессов при работе роторного нефтесборщика, представленная в виде точных аналитических выражений, обеспечивающих расчеты поля скоростей и давлений нефтебитума, производительности барабанного нефтесборщика, а также толщины слоев нефтебитума на поверхности ротора.
2. Выражения для критических и оптимальных толщин слоев жидкости, условия существования вала перед движущимся цилиндром. Взаимозависимости физических и геометрических параметров для роторного адгезионного нефтесборщика.
3. Решения нелинейных задач, описывающих температурные процессы вблизи ротора нефтесборщика с учетом диапазона фазовых переходов в многокомпонентной системе, позволяющие рассчитать температурные поля с изменяющимися физико-химическими характеристиками среды.
4. Установлено, что расхождение результатов между моделями полей температур с фиксированной точкой фазового перехода и с диапазоном плавления не превышает 12.5%.
5. Показано, что время установления квазистационарного режима составляет 10 – 20 секунд и размеры зон расплава – порядка нескольких миллиметров.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международных научных конференциях (г. Белгород, 2011; г. Херсон, Украина, 2011), Всероссийских научных конференциях (г. Ишимбай, 2011; г. Стерлитамак, 2011) Всероссийской научно-практической конференции (Уфа, 2007), Межвузовской научно-практической конференции (г. Стерлитамак, 2011), научных семинарах кафедр теоретической физики и методики обучения физике (научный руководитель – д. т. н., проф. А.И. Филиппов), математического анализа (научный руководитель – д. ф.-м.н., проф. И.А. Калиев), прикладной математики и механики (научный руководитель – д. ф.-м.н., проф. И.К. Гималтдинов) Института математики и естественных наук СГПА им. Зайнаб Биишевой, кафедры прикладной математики, информатики и механики БирГСПА (научный руководитель – д. ф.-м.н., проф. В.Ш. Шагапов)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, в том числе в 2-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, список которых приведен в конце автореферата. Постановка задачи в работах принадлежит профессору А.И. Филиппову. Результаты, выносимые на защиту, принадлежат автору.
Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 116 страниц, состоит из введения, трех глав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Список литературы содержит 73 наименования.
