AP23486543 – Моделирование турбулентного движения и теплообмена высоковязкой жидкости с противотурбулентной присадкой
Цель – Моделирование и создание методики расчета турбулентного движения и теплообмена высоковязкой нефти с противотурбулентной присадкой
Актуальность: Актуальность проекта обусловлена широким распространением турбулентных течений жидкости в трубах в таких отраслях, как нефтедобыча, энергетика и химическая промышленность. Снижение гидравлического сопротивления с помощью полимерных присадок открывает значительные возможности для повышения энергоэффективности транспортировки нефти. Изучение эффекта Томса позволяет глубже понять механизмы возникновения и управления турбулентностью. Это имеет важное значение для разработки более эффективных технологий управления потоками жидкости. В настоящее время недостаточно исследовано неизотермическое турбулентное течение высоковязкой нефти с полимерными добавками. Поэтому проведение таких исследований является актуальным для повышения эффективности и надежности процессов транспортировки энергоносителей.
Научный руководитель: Доктор технических наук, Профессор, Жапбасбаев Узак Кайрбекович
Ожидаемые и достигнутые результаты: В ходе выполнения проекта проведён детальный анализ современных моделей турбулентности, применяемых для описания течения высоковязкой жидкости с полимерными присадками. Рассмотрены ключевые физические эффекты, такие как снижение гидравлического сопротивления и теплопередачи в турбулентных потоках. Проанализированы модели RANS, включая k–ε–v²–f, ARSM и RSM, а также методы LES и DNS для более точного описания течений. Установлено, что модели RANS являются наиболее эффективными для инженерных расчётов, тогда как DNS обеспечивает высокую точность, но требует значительных вычислительных ресурсов. Разработана математическая модель неизотермического турбулентного движения и теплообмена высоковязкой жидкости с полимерной присадкой на основе реологической модели FENE-P. Получены граничные условия для уравнений движения и теплообмена в трубе с заданными геометрическими параметрами. Разработаны численные методы решения системы уравнений с использованием алгоритма SIMPLE и метода контрольного объёма. Построены конечно-разностные аналоги уравнений движения, теплообмена и турбулентности с применением схемы QUICK для аппроксимации конвективных членов. Проведена верификация разработанной модели на основе сравнения с результатами DNS и RANS для неньютоновских степенных жидкостей. Установлено удовлетворительное согласие результатов расчётов с данными DNS и RANS при изменении параметра степени течения и числа Рейнольдса. Получены профили распределения скорости, турбулентной кинетической энергии и рейнольдсовых напряжений, подтверждающие адекватность модели. Выявлено, что уровень турбулентности в неньютоновской жидкости выше, чем в ньютоновской, а структура пульсаций отличается по направлениям. Определено, что полимерные добавки снижают сопротивление потока за счёт подавления вихрей и увеличения толщины буферного слоя. Получены зависимости вязкости неньютоновской жидкости от параметра степени, показывающие её рост к оси трубы. Проведено сопоставление с экспериментальными данными для вязкоупругой жидкости (раствор ксантановой камеди), подтвердившее корректность модели и её применимость для инженерных задач.
Список публикаций с ссылками на них
- Zhapbasbayev U., Bekibayev T., Pakhomov M., Ramazanova G.
Heat Transfer of Crude Waxy Oil with Yield Stress in a Pipe // Energies. – 2024. – Vol. 17. – Article 4687. – DOI: https://doi.org/10.3390/en17184687 - Pakhomov M. A., Zhapbasbayev U. K.
RANS predictions of turbulent non-isothermal viscoplastic fluid in pipe with sudden expansion // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. – 2024. – Vol. 334. – Article 105329. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2024.105329 - Zhapbasbayev U. K., Ramazanova G. I., Pakhomov M. A.
Turbulent flow of viscoplastic fluid in a pipe with sudden expansion // Reports of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. – 2025. – Vol. 1. – No. 353. – P. 64–77