Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ литературных данных по аварийности подводных нефтепроводов и средствам локализации и сбора нефти с поверхности водоемов 8
1.1 Обзор информации об аварийности эксплуатируемых подводных переходов нефтепроводов через водные преграды 8
1.2 Анализ методов и средств локализации и сбора нефти с поверхности воды 15
2 Методология оценки риска аварий на подводных переходах магистральных нефтепроводов 22
2.1 Идентификация опасностей возможных аварий 22
2.2 Методика расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах 23
3 Экспериментальные исследования всплытия нефти в водном потоке при авариях на подводных трубопроводах 35
3.1 Исследования распространения нефти в толще речного аллювия и в придонном слое речного потока 35
3.2 Исследования процесса всплытия нефти от дна реки до поверхности воды в речном потоке 39
3.3 Экспериментальные исследования локализации нефти в водном потоке на моделях боновых заграждений 42
3.3.1 Исследования разбегания (распространения) нефти при выходе на поверхность воды 42
3.3.2 Исследование кинематики поверхностного течения при взаимодействии потока с преградой (боковыми заграждениями). 45
3.4 Исследование условий взаимодействия двухфазного потока жидкости с плоской преградой 48
3.4.1 Методика проведения эксперимента 48
3.4.2 Модель взаимодействия двухфазного безнапорного течения жидкости с плоской преградой 55
3.5 Загрязнение берегов при распространении нефти на малых реках
4. Исследования условий распространения и параметров всплывающей нефтяной струи в речном потоке при авариях на подводном трубопроводе 62
4.1 Распространение всплывающей нефтяной струи в сносящем потоке воды 62
4.2. Моделирование распространения струи нефти в сносящем потоке воды 62
4.3. Расчет параметров круглой плавучей струи нефти в сносящем потоке воды 89
5. Опытно-промышленная отработка методов локализации и сбора разлитой нефти с поверхности воды на водотоках 105
5.1 .Опыт локализации нефти на водотоках установкой бонових заграждений типа «Уж-2М» 105
5.2. Разработка «Правил аварийного ремонта подводных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий» 108
Основные выводы 113
Библиографический список использованных источников 114
- Обзор информации об аварийности эксплуатируемых подводных переходов нефтепроводов через водные преграды
- Методика расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах
- Исследования разбегания (распространения) нефти при выходе на поверхность воды
- Моделирование распространения струи нефти в сносящем потоке воды
Введение к работе
Подводные переходы магистральных нефтепроводов (ППМН) через водные преграды, несмотря на их сравнительно небольшой удельный вес от общей протяженности магистральных нефтепроводов (МН), являются наиболее ответственными сооружениями линейной части. К надежности ППМН как к одному из конструктивных элементов МН предъявляются высокие требования, вызванные, прежде всего, тем, что даже незначительные повреждения подводных нефтепроводов с потерей герметичности могут привести к тяжелым экологическим последствиям.
Обеспечению надежности и безопасности подводных нефтепроводов посвящены известные исследования Бородавкина П.П., Березина В,Л., Быкова Л .И., Шадрина О.Б., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Забелы К. А., Азметова Х.А., Идрисова Р.Х. и научных и проектных организаций, таких как ВНИИСТ, ИПТЭР, Гипротрубопровод, Гипроречнефтетранс.
Однако, как показывает практика эксплуатации ППМН, повышенные требования к их проектированию, строительству и эксплуатации не всегда исключают возможность возникновения аварий.
Снижение уровня воздействия аварийных разливов нефти на окружающую природную среду является актуальнейшей задачей. Снижение опасностей во многом зависит от своевременного обнаружения аварийных утечек, определения возможных объемов выхода нефти, принятия оперативных мер по локализации и сбору разлившейся нефти с поверхности воды. Немаловажное значение в решении данной проблемы имеют исследование процессов формирования и распространения нефтяного пятна по поверхности водоема и водотока, прогнозирование его перемещения по течению, взаимодействие двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боковым заграждением) и выбор рациональных мер по ликвидации аварийных разливов.
Цель диссертационной работы
Исследование условий распространения нефти по поверхности водного объекта и разработка рекомендаций по снижению опасностей при нарушении герметичности подводных нефтепроводов.
Основные задачи работы:
Исследование истечения и распространения нефти в водном потоке при потере герметичности подводных нефтепроводов.
Экспериментальные исследования взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой.
Совершенствование методики расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах.
Разработка технологических схем локализации аварийных разливов нефти при авариях на переходах нефтепроводов через водные преграды.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных задач применялись экспериментальные исследования с использованием моделирования русловых процессов в лабораторных условиях, методы математического анализа и численного моделирования, натурные исследования на стендах и в промышленных условиях.
Научная новизна результатов, полученных в работе
Разработаны методика и программа расчета объемов выхода нефти через дефектное отверстие на подводных нефтепроводах с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения.
На основе экспериментальных данных определена критическая толщина слоя нефти перед преградой.
Рекомендованы технологические решения и обоснованы параметры
по локализации нефтяного потока в потоке воды.
Предложен расчетный метод определения геометрических и про
странственных параметров нефтяной струи при истечении ее из дефектного
отверстия и всплытии в водотоке.
Практическая ценность работы
Результаты, полученные в работе, позволяют определить уточненные объемы выхода нефти с учетом фактических условий истечения.
На основе данных лабораторных и экспериментальных исследований возможна оценка загрязнения береговой зоны водного объекта при аварийном разливе нефти.
Результаты научных исследований нашли практическое применение в руководящем документе «Правила аварийного ремонта подводных переходов магистральных нефтепроводов и ликвидации последствий аварий».
Реализация результатов работы
Результаты работы реализованы в 3 нормативно-технических документах и внедрены при техническом обслуживании и ремонте подводных переходов магистральных нефтепроводов на предприятиях магистрального транспорта нефти.
Апробация работы
Полученные результаты докладывались на всероссийских, республиканских и международных конференциях, совещаниях и семинарах, посвященных проблемам обеспечения технологической и экологической безопасности эксплуатации магистральных, нефтепроводов, в том числе:
-III конгрессе нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2001 г.;
- научно-технической конференции «Нефть и газ на старте XXI века», г. Уфа, 2002 г.;
- белорусско-российском научно-практическом семинаре «Технологии
ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов»,
г. Новополоцк, 2004 г.
Диссертация заслушана на расширенном заседании методического совета отдела «Безопасность сложных технических систем» ГУЛ «ИПТЭР» и рекомендована к защите.
На защиту выносятся:
уточненная методика и программа расчета определения объема выхода нефти через дефектное отверстие с учетом противодавления окружающей среды и фазового перехода при достижении критических скоростей истечения;
результаты экспериментальных исследований взаимодействия двухслойного потока жидкости (нефть - вода) с преградой (боновим заграждением);
- результаты экспериментальных и теоретических исследований рас
пространения нефти при всплытии и растекании по поверхности воды.
Обзор информации об аварийности эксплуатируемых подводных переходов нефтепроводов через водные преграды
Как это следует из данных таблицы 1.3, наибольший удельный вес отказов на подводных нефтепроводах приходится на некачественное выполнение строительно-монтажных работ, к их числу можно отнести и оголение трубопроводов в процессе эксплуатации.
Ниже приведены данные по некоторым авариям на подводных нефтепроводах ОАО «АК «Транснефть». 26.12.1995 г. в районе 151 км нефтепровода (Dy 720 мм) Туймазы -Омск - Новосибирск (ОАО "Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы", Черкасское РНУ) на подводном переходе через р. Белая произошел разрыв трубопровода. Объем утечки составил 977 т нефти [2]. 15.01.1995 г. на нефтепроводе (Dy 529 мм) Зольное - Сызранский НПЗ (ОАО "Приволжские магистральные нефтепроводы", Самарское РНУ) в районе 129 км (подводный переход через р. Сызранка) произошел выброс нефти в количестве 1,7 т. При обнаружении повреждения перекачка нефти не осу-ществлялась и статическое давление составляло 8,5 кгс/см . Итоговая величина экономического ущерба составляла 219,6 млн руб. Причинами разгерметизации явился дефект в сварном соединении. Это привело к возникновению усталостной трещины в результате длительной эксплуатации (32 года) и циклического характера нагрузки. Кроме этого, ОАО "Приволжские магистральные нефтепроводы" не выполнило предписание Самарского округа Гос-гортехнадзора России о прекращении эксплуатации технически неисправного нефтепровода.
13.06.1999 г. в результате аварии на 334 км нефтепровода ТОН-2 в районе д. Терменево произошел сброс нефти, часть которой попала в р. Ай и р. Улуир. Объем вытекшей из трубопровода нефти составил около 1500 м3, и 300 м3 из них попало на водную поверхность. Лишь к концу месяца разлитая нефть была собрана и очистка завершена.
Основным негативным последствием аварий на ППМН для окружающей природной среды является загрязнение воды, береговых участков водоемов и водотоков. Для оценки ущерба при аварийном разливе нефти на поверхности воды необходимо определить объем вытекшей из трубопровода нефти. В настоящее время основным документом по определению объемов вытекающей нефти при авариях на магистральных нефтепроводах является «Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах» [3], утвержденная Минтопэнерго РФ. Изложенная в этом документе методика определения объема выхода нефти при возможных авариях взята за основу и в «Методическом руководстве по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах» [4], где дополнительно учитывается вероятность разрыва нефтепровода с характерным размером, перекрытия линейных задвижек с учетом времени прибытия аварийно-восстановительных бригад.
Недостатком приведенных и других существующих методик [5] является то, что фактические объемы нефти существенно отличаются от расчетных; кроме того, расчеты по различным методикам дают разные значения объемов выхода нефти. Для примера в таблице 1.4 приведены данные различных организаций по определению объемов нефти при оценке ущерба от аварии на подводном нефтепроводе ТОН-2 через р. Белая в декабре 1995 года.
Кроме того, существующие методики не учитывают влияние возможного противодавления окружающей среды, а также возможность возникновения кавитационного режима течения через отверстие при больших напорах. Локализация, сбор и удаление нефти и нефтепродуктов являются сложными и трудоемкими процессами вследствие малой толщины нефтяной пленки и относительно высокой скорости ее распространения.
В настоящее время накоплен значительный опыт по борьбе с нефтяным загрязнением водоемов [6-19]. Широкое распространение получили механические способы локализации, сбора и удаления нефти с поверхности воды, которые предусматривают использование боновых заграждений (БЗ) и скиммеров и нефтесборщиков различных конструкций. К этой же группе мероприятий следует отнести применение сорбирующих материалов (соломы, опилок, пенополиуретана и др.).
Для локализации загрязнения применяют плавучие и подводные боно-вые заграждения. Принцип действия плавучего бонового заграждения заключается в создании механического барьера, препятствующего горизонтальному перемещению или распространению тонкого верхнего слоя воды вместе с нефтяной пленкой. Конструкция бонового заграждения состоит из плавучей, экранирующей и балластной частей. Плавучая часть бона может быть выполнена в виде отдельных поплавков прямоугольного (круглого) сечения или в виде сплошных труб. Экранирующая часть представляет гибкую или жесткую пластину, присоединенную к плавучей части бона и нагруженную для придания устойчивости балластной цепью, трубой или растяжками. В некоторых конструкциях функцию экрана выполняет балластирующая труба. По длине боновое заграждение выполняется в виде нескольких шарнирно соединенных секций.
Примером заграждения подводного типа является пневматический барьер, принцип работы которого заключается в создании препятствия в верхнем слое воды при непрерывной подаче воздуха через перфорированную трубку, уложенную на дно водоема. Удерживающая способность пневматического барьера определяется скоростью и углом подачи воздуха, течением воды и степенью волнения. Достоинством метода является возможность свободного прохода судов.
Для локализации нефти в битом льду применяют секционные боны из стеклопластика, обладающие высокой механической прочностью и устойчивостью и не имеющие выступающих частей. Заграждение формируется из секций с поплавками, соединенных планками и шарнирами.
Для защиты порта или других объектов от нагона горящей нефти и для окружения и последующего сжигания нефтяных пятен используются специальные заграждения в виде ленты и поплавков из нержавеющей стали, способные выдерживать длительное воздействие огня.
Методика расчета объема выхода нефти при авариях на подводных нефтепроводах
Условия, при которых происходит утечка нефти при авариях на ШІМН, могут быть весьма разнообразными, и именно они будут оказывать определяющее влияние на дальнейшее развитие событий при ликвидации аварии. К числу таких начальных условий можно отнести: - характер повреждения трубы (свищ, трещина по сварному шву, разрыв; ориентация повреждения в пространстве; давление нефти в трубопроводе); - внешние условия (толщина слоя грунта над верхней точкой трубы; крупность и пористость грунта). Сочетание этих условий может быть самым разным, но можно рассмотреть некоторые предельные случаи. Если отверстие в трубе (свищ) невелико, то система аварийной защиты нефтепровода может не сработать, и истечение нефти будет продолжаться неопределенно долго. При расположении отверстия в верхней точке обнажившегося нефтепровода или при небольшом слое засыпки грунтом возможно фонтанирование нефти в речной поток. Наличие нефти в воде может быть обнаружено при отборе проб воды на наличие нефтепродуктов. Процесс распространения нефти в толще речного аллювия исследовался в лабораторных условиях совместно с Отделом русловых процессов Государственного гидрологического института (ГТИ) на 50-метровом гидравлическом лотке со стеклянными боковыми стенками [49]. Нефть через трубку диаметром 2 мм под давлением подавалась в специально подготовленную на дне потока линзу из песка крупностью 3-5 мм. Трубка была изогнута под прямым углом так, что в песке находился ее горизонтальный участок длиной 12 см, что предотвращало движение выходящей из грунта нефти по вертикальному участку трубки. Заглубление точки выпуска под поверхность песка составляло 7 см, а удаление от стеклянной боковой стенки лотка - 3 мм. На рисунке 3.1 видны последовательные фазы движения нефти. С момента начала подачи нефть распространялась в пустотах грунтовой толщи без выхода на поверхность дна. Площадь пятна постепенно увеличивается, нефть замещает воду в порах грунта (рисунок 3.1, а). Через несколько минут пятно нефти, расширяясь во все стороны, верхним своим краем приближается к границе раздела грунт-вода и из грунта начинают хаотично выделяться шарики нефти (рисунок 3.1, б), устремляющиеся затем от дна в верхние слои потока. При этом траектории шариков образуются векторной суммой скорости их всплытия и переменной по глубине местной скорости руслового потока. Наконец, пятно нефти в грунте достигло максимальных размеров (рисунок 3.1, в), подача нефти прекращена, но отдача нефти из грунта в поток продолжается в течение довольно длительного времени. На основе результатов лабораторных исследований можно констатировать, что форма тела грунта, пропитанного нефтью, будет определяться тремя факторами: избыточным давлением нефти, вытекающей из отверстия; подъемной силой и силой тяжести, вызывающей движение фильтрационного грунтового потока воды. Можно полагать, что градиент избыточного давления будет уменьшаться в грунте по всем направлениям одинаково. Под действием его нефть будет заполнять поры между частицами грунта, вытесняя из них воду. Если грунт не однороден по составу, то нефть будет перемещаться в направлении наименьшего сопротивления. Например, если траншея под трубопроводом засыпана крупным материалом, а сверху занесена мелкозернистым аллювием, то возможно распространение нефти вдоль нефтепровода. Подъемная сила действует на нефть по вертикали снизу вверх. Вниз от точки истечения градиент давления и подъемная сила действуют в противоположных направлениях, и на некотором расстоянии от нее будет достигнуто состояние равновесия. Вверх от точки истечения давление и подъемная сила действуют в одном направлении, что вызовет преимущественное движение нефти к поверхности дна. Наконец, горизонтальная составляющая силы тяжести определяет движение фильтрационного потока в грунте вниз по течению реки. Скорость фильтрации, согласно закону Дарси, равна V = К z, где К - коэффициент фильтрации, z - гидравлический уклон. Коэффициент фильтрации, например для гравия с размерами зерен 4-7 мм равен 3,5 см/с. Для примерной оценки величины скорости фильтрации вместо гидравлического уклона возьмем уклон водной поверхности реки. Для равнинных рек он примерно равен д = 0,00005. Тогда скорость фильтрации будет иметь величину порядка V= 3,5- 5р 10"5 см/с = 17,5- 10"5 см/с. За сутки частица воды в грунте пройдет путь длиной 15 см. Таким образом, под влиянием фильтрационного потока форма нефтяного загрязнения в грунте будет незначительно деформироваться и перемещаться в направлении течения реки. Из этих рассуждений следует, что распространяющаяся в русловом аллювии нефть будет появляться на поверхности речного дна с задержкой во времени (после разгерметизации трубы) на некоторой ее площади. Отдача нефти из пропитанного ею грунта будет происходить в течение некоторого времени после прекращения истечения нефти из трубы. Размеры площади отдачи, по-видимому, будут разными в конкретных аварийных ситуациях и, в общем, будут зависеть от количества вытекшей нефти, глубины заложения трубы под поверхностью речного дна, крупности речного аллювия, скорости фильтрационного потока, плотности и вязкости нефти. Если форма и размеры пятна загрязнения на дне реки будут каким-либо образом определены, то объем заключенной в грунте нефти нетрудно подсчитать. Однако получить такие данные в условиях аварии весьма затруднительно. Исследования процесса всплытия нефти в речном потоке при авариях на подводном трубопроводе необходимы для прогнозной оценки расстояния от оси трубопровода, на котором нефть выходит на поверхность воды, и параметров всплывающей нефтяной струи. Экспериментальные исследования проводились в гидравлическом лотке длиной 50 м и шириной 2 м. Часть экспериментов проводилась непосредственно с нефтью, но для основных исследований в качестве имитатора нефти использовалось подкрашенное подсолнечное масло.
Выпуск нефти и масла осуществлялся из изогнутой под прямым углом трубки диаметром 2 мм, ориентированной в попутном потоку направлении. Выходящие из трубочки нефть и масло первоначально имеют скорость истечения, превышающую местную скорость водного потока, и распространяются в виде компактной струи. Израсходовав кинетическую энергию, порции введенных в воду веществ оказываются фактически в состоянии невесомости, при этом силы поверхностного натяжения превращают каждую порцию в шарик. Размер шарика определяется диаметром выпускного отверстия. На виде сбоку через стеклянную боковую стенку лотка (рисунок 3.2) зафиксировано движение шариков нефти вверх и их прилипание к нижней границе поверхности воды. Через некоторое время в произвольном порядке шарики взрывообразно разбегаются по поверхности воды в виде кругов. На виде сверху (рисунок 3.3) зарегистрирован этот процесс.
Исследования разбегания (распространения) нефти при выходе на поверхность воды
Задача, связанная с описанием и расчетом проникновения плоской или круглой струи нефти в сносящий поток водной среды, относится к числу весьма сложных и малоизученных в теории свободных турбулентных течений. В настоящее время пока отсутствует общепризнанная модель рассматриваемого течения. К числу ряда особенностей течения относятся, прежде всего криволинейность струи, асимметрия ее основных параметров, наличие продольной Ws и поперечной Wn компонент скорости внешнего потока на средней выпуклой границе струи, а также образование области разрежения за струей, величина которой зависит от наличия и близости к срезу отверстия экранирующей поверхности (бонового заграждения). В этих условиях форма поперечного сечения и основные параметры струи становятся сложными функциями турбулентного взаимодействия двух потоков с вихреобразова-ниями, при этом скорость и давление на границах струи изменяются вдоль ее оси, и закон изменения заранее неизвестен, так как он формируется фактически при обтекании деформируемого препятствия неизвестной формы.
В последние годы появились теоретические и экспериментальные работы, в которых рассматривались задачи этого класса [18,19,45-47,56-69]. В первых работах использовалась простейшая схематизация действительного течения, когда изогнутая струя рассматривалась как некоторое квазитвердое тело. Результаты этих исследований ограничены определением лишь траектории струи на основе простых эмпирических соотношений [70]. Лишь некоторые из работ с таким подходом позволяли удовлетворительно предсказать положение условной оси струи, да и то в ограниченном диапазоне соотношений скоростей и начальных углов истечения.
Многие исследователи рассматривали струю как некоторое препятствие в сносящем потоке и не учитывали процесс смешения струй с окружающей средой. Авторы более поздних работ [45,57] в своих теориях отклоняемых струй уже пытались учитывать перенос количества движения вследствие турбулентного перемешивания. Эти исследования имели определенный интерес и приближали к более глубокому пониманию механизма взаимодействия и смешения струи с поперечным потоком.
Значительная часть работ в этой области посвящена экспериментальному исследованию струй, истекающих из круглого насадка в сносящий поток, например [71]. Характерной чертой таких струй является наличие пары дискретных вихрей, образующихся за струей подобно тому, как это имеет место при обтекании круглого цилиндра. Кроме того, на передней выпуклой части струи давление имеет максимальное значение, а за струей образуется область разрежения с пониженным давлением. Вне зоны смешения струи течение можно считать потенциальным, и там давление и скорости связаны уравнением Бернулли. В силу этого в каждом нормальном к оси струи поперечном сечении скорость внешнего потока жидкости имеет наименьшее значение на внешней выпуклой части струи и, по аналогии с цилиндром, должна плавно нарастать примерно до экваториальной плоскости, после чего она вновь начинает уменьшаться. Однако такой характер течения имеет место лишь частично. По мере удаления от отверстия указанная картина распределения давления и скоростей приводит к деформации поперечного сечения струи, что, в свою очередь, изменяет условия обтекания этого участка струи, и действительная картина течения принимает более сложный характер. Вблизи внешних границ струи скорости течения, как и в обычных струях, меньше, чем в центральной ее части, поэтому здесь необходим меньший градиент давления для уравновешивания центробежной силы. Указанное перераспределение давления приводит к тому, что в поперечном сечении круглой струи устанавливается возвратно-циркуляционное вторичное течение, направленное в боковые стороны от центральной выпуклой части струи, а в кормовой ее части, вследствие условия сплошности, происходит интенсивная эжекция жидкости, направленная внутрь от задней вогнутой части к передней выпуклой (рисунок 4.1 [53]). Это вторичное течение накладывается на основное, в результате устанавливается довольно сложное движение жидкости, при котором поперечное сечение струи на определенном участке принимает подковообразную форму.
Говоря о результатах экспериментальных исследований струй, распространяющихся в сносящем потоке, необходимо отметить, что сравнительно убедительные данные имеются лишь о траекториях струй. Значительно меньшее количество работ посвящено измерению полей скорости и температуры, вторичных течений и структуры потока. Однако имеющиеся в этой области данные свидетельствуют о подобии профилей продольных осреднен-ных скоростей при соответствующем выборе масштаба длины и скорости [71,72].
В силу изложенного поведение круглой и плоской турбулентных струй в сносящем потоке пока не поддается достаточно четкому теоретическому описанию, так как в общем случае оно включает силовое взаимодействие двух пересекающихся под углом потоков.
Учитывая сказанное, на основании работ [18,46,53] рассмотрим задачу о плоских и турбулентных стратифицированных по плотности и температуре струях нефти, распространяющихся в сносящем потоке водной среды. Для этого необходимо вывести основные интегральные соотношения, сформулировать гипотезы и допущения, на базе которых можно будет исследовать этот класс течений, характеризующихся указанными особенностями, включая эффекты кривизны, плавучести и стратификации внешней среды.
Решение системы дифференциальных уравнений движения в криволинейной системе координат, описывающей распространение плоских и круглых струй, связано с огромными принципиальными и техническими трудностями. Целесообразнее для такого класса течений воспользоваться интегральными методами.
Учитывая сложность задачи и ее особенности, включая отсутствие симметрии течения по углу ф, основные интегральные соотношения для струй, истекающих в сносящий поток, получим способом интегрирования, применив к выделенному элементу струи общие законы сохранения, записанные в интегральной форме.
Моделирование распространения струи нефти в сносящем потоке воды
Несмотря на такую, казалось бы, грубую схематизацию течения, все же использование подобных допущений представляется оправданным, поскольку решение данной задачи в более строгой постановке, даже интегральным методом, чрезвычайно сложно.
Приведенные зависимости для турбулентных вязкости, трения и профилей скорости и температуры позволяют получить замкнутую систему интегральных соотношений и выполнить расчет основных параметров плавучих струй, распространяющихся в сносящем потоке, интегральным методом.
Если плотность струи отличается от плотности сносящего потока, то при рассмотрении таких задач в выражениях для турбулентной вязкости необходимо дополнительно учесть влияние сил плавучести на процессы турбулентного переноса. Расчет параметров круглой плавучей струи нефти в сносящем потоке воды Начальный участок
Проблема изучения характеристик однородных и плавучих турбулентных струй, истекающих через плоскую щель или круглое отверстие в сносящий однородный или стратифицированный поток, актуальна для многих практических приложений. Закономерности распространения таких струй определяются параметром u = W/v0 , представляющим отношение скорости сносящего потока W к начальной скорости струи v0 , числом Ричардсона характеризующим влияние сил плавучести, и параметром стратификации С5=уЬ/(ТУТ\уо) - отношение вертикального градиента температуры внешней среды к избыточной температуре струи на уровне среза отверстия.
Как обычно, в теории турбулентных струй предлагаемый метод расчета указанного класса течений строится на ряде допущений. Прежде всего предполагается, что жидкость несжимаема, справедливо приближение пограничного слоя, течение вне струи является потенциальным, течение в струе имеет развитый турбулентный характер и считается установившимся, молекулярной вязкостью по сравнению с турбулентной пренебрегается, изменение плотности учитывается лишь в членах, характеризующих объемное действие сил плавучести (приближение Буссинеска). Другие специальные допущения, касающиеся, например, турбулентной вязкости и распределения скорости и температуры, обсуждались выше.
Задачу о влиянии сносящего потока, сил плавучести и стратификации внешней среды на основные закономерности развития турбулентной струи будем решать интегральным методом. Основными искомыми характеристиками являются траектория струи, интенсивность расширения ее зон смешения, длина начального участка, а также характер изменения вдоль струи осевых избыточных скорости и температуры (концентрации).
Предполагается, что предложенная Г.Н. Абрамовичем [77] принципиальная схема прямолинейных струй, при которой поле течения разбивается на начальный, переходной и основной участки струи, справедлива и для искривленных струй в сносящем потоке. При нашем подходе решения для начального и основного участков в переходном сечении будут удовлетворять условию сопряжения.
Итак, рассмотрим задачу о распространении вертикальной плавучей турбулентной струи, вытекающей через круглое отверстие диаметром do=2ro со скоростью v0 и начальной температурой Т0 в однородный плоскопараллельный поток, имеющий скорость W = const и неоднородную температуру Т , распределенную, например, по линейному закону где у - параметр вертикальной стратификации.
Рассмотрим лишь такие течения, когда вектор скорости сносящего потока W и вектор начальной скорости струи v0 находятся в одной плоскости. Начальный угол между их направлениями обозначим ао. Движение жидкости будем рассматривать как квазидвухмерное в криволинейной ортогональной системе координат Osr, начало которой О находится в центре отверстия. Начало декартовой системы координат поместим в ту же точку О, при этом вертикальную ось обозначим через у, а ось х направим горизонтально и параллельно W так, чтобы она попала в плоскость Osr, где лежит вектор v . Проекции скорости в струе на оси s и г обозначим соответственно через vs и vr. Под осью струи понимаем геометрическое место точек, в которых скорость максимальна (vs= vm). Координата s совпадает с осью струи, а г - нормаль к ней. Локальный угол между ортом оси s и направлением W обозначим ос. Общая схема рассматриваемого течения, принятая система координат и основные обозначения с выделением начального и основного участков приведены на рисунке 4.1.
Рассмотрим начальный участок струи. Обозначим осевую скорость на нем через vom , которая в общем случае непостоянна. Пусть гої - радиус потенциального ядра струи; b0i - соответствующий размер зоны смешения круглой струи. При сделанных выше допущениях и в соответствии с уравнениями (4.43) - (4.46) система исходных интегральных соотношений для импульса, энергии, кривизны и плавучести на начальном участке круглой струи запишется в виде где Ws и Wr - соответствующие осредненные компоненты скорости сносящего потока на внешней границе струи; г - локальный радиус; 9=Т-ТИ; X - суммарный коэффициент сопротивления струи; интегрирование выполняется от оси до динамической границы струи.
