Введение к работе
Актуальность исследования. Течение затопленных струй на дне океана может возникнуть вследствие причин как естественного, так и техногенного характера (повреждение скважины, разрыв трубопровода и т.п.). В случае возникновения аварийной ситуации и истечения углеводородов (нефти и газа) в водоем важно спрогнозировать динамику струи, определив траекторию, ее кинематические и теплофизические характеристики. При исследовании струи важно учесть процесс гидратообразования, который влияет на характер распространения струи.
При разливах углеводородов на дне океана необходимо устранить экологические последствия; один из способов - установка купола для сбора углеводородов непосредственно над местом утечки. Поступающие в купол нефть и газ накапливаются и сепарируются внутри купола, затем откачиваются для дальнейшего использования. Образование и накопление гидратов в куполе вызывает осложнение при работе таких устройств, поэтому важно разрабатывать модели накопления углеводородов в куполе с учетом гидратообразования.
Целью диссертационной работы является исследование многофазных затопленных струй с учетом гидратообразования и накопления углеводородов (нефти, газа и гидрата) в куполе.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
развитие математической модели многофазной затопленной струи с учетом гидратообразования;
создание математических моделей накопления и транспортировки нефти и газа в куполе на дне океана для ликвидации последствий аварии в подводном нефтепроводе;
исследование миграции капель нефти в куполе;
создание экспериментальной установки для исследования струи и накопления дизельного топлива в куполе-сепараторе.
Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертационной работе использованы методы и подходы, применяемые в области механики сплошной среды.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Развитие интегрального лагранжевого метода контрольного объема (ИЛМКО) для расчета траектории, радиуса, плотности, температуры и объемных содержаний компонентов струи в случае
образования гидрата на поверхности газового пузырька с учетом двух предельных схем гидратообразования.
2. Математическая модель накопления углеводородов в куполе.
3. Теоретическая модель миграции капель нефти в куполе,
наполненном раствором спирта. Оценка максимального значения
объемной доли нефти, которая может быть собрана куполом.
4. Результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
1. Развит метод ИЛМКО для моделирования затопленных струй
с учетом формирования гидратных оболочек на газовых пузырьках
для двух предельных режимов гидратообразования. Исследовано
влияние процесса образования гидрата на характеристики струи.
-
Впервые разработана математическая модель процесса накопления нефти, газа и гидрата в куполе. Исследовано изменение температуры слоев газа и нефти внутри купола с течением времени.
-
Предложена математическая модель процесса миграции капель нефти в куполе, наполненном раствором спирта. Произведена оценка максимального значения объемного содержания нефти в куполе, больше которого нефть из струи не может проникнуть в купол.
Обоснованность и достоверность результатов работы
следуют из применения при разработке математических моделей
фундаментальных уравнений механики; получения решений, не
противоречащих общим термодинамическим представлениям и в
некоторых частных случаях согласующихся с результатами других
исследователей; а также количественного и качественного
согласования с результатами экспериментов.
Практическая значимость. Полученные результаты
расширяют знания о распространении затопленных струй, режимах накопления газа, нефти и гидрата внутри купола. Кроме того, исследован особый режим накопления углеводородов в куполе, исключающий проникновение гидрата в купол.
Апробация работы. Основные положения диссертации
докладывались и обсуждались во Всероссийской школе-конференции
молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в
естественных науках» (Пермь, 2013), на Всероссийской научно-
практической конференции с международным участием
«Математическое моделирование процессов и систем» (Стерлитамак,
2013, 2014, 2015), Summer workshop «Dynamics of dispersed systems»
(Уфа, 2014), на 4 Международной конференции «Математическая
физика и е приложения» (Самара, 2014), в Международной школе-
конференции студентов, аспирантов и молодых учных
«Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»
(Уфа, 2014), на 11 Всероссийском съезде по фундаментальным
проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015), на
семинаре Института механики им. Р.Р. Мавлютова УНЦ РАН
(научный руководитель – директор института, заведующий
лабораторией «Механика многофазных систем», д.ф.-м.н., проф.
Урманчеев С. Ф.), на семинаре кафедры теоретической физики
Стерлитамакского филиала Башкирского государственного
университета (научный руководитель – д.т.н., проф. Филиппов А. И.).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 19 статьях, опубликованных в журналах и научных сборниках, из них 5 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК.
Благодарность. Автор выражает глубокую признательность д.ф.-м.н., профессору, академику АН РБ Шагапову В.Ш. и техническому директору ООО НПФ «Политехника» Барышеву И.Г. за внимание к работе и обсуждение результатов.
Результаты исследований, представленных в диссертации,
проводились при поддержке гранта РФФИ 14-01-97032
р_поволжье_а.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 144 листа. Работа содержит 73 иллюстрации. Список литературы содержит 119 наименований.