Численный метод для решения нелинейных уравнений трубопроводного транспорта реального газа
- № 3 (51) 2019
Страницы:
68
–
79
Язык: русский
Аннотация
Уравнения сохранения импульса и массы, используемые при моделировании процесса трубопроводного транспорта реальных газов, содержат члены с третьим порядком неизвестных. В инженерной практике ограничиваются использованием известных формул, которые получены для стационарного режима течения. Нестационарные задачи решаются обычно линеаризацией уравнений. Для адекватного описания объекта требуется более полный учет факторов, определяющих потери давления в трубопроводе. Степень неизвестных в уравнениях сохранения импульса и массы понижена введением вспомогательной функции в виде натурального логарифма от приведенной плотности. Применением подхода бегущих волн составлены автономные уравнения для прямых и обратных волн, в которые входят члены нелинейного закона сопротивления и силы гравитации. Данный подход учитывает наличие двух масштабов скорости: обычная гидродинамическая скорость газа и скорость распространения малых возмущений, значения которых отличаются на один порядок. Разработан численный метод решения уравнений трубопроводного транспорта, сверхсжимаемого газа с учетом силовых факторов: силы сопротивления в рамках квадратичного закона сопротивления, силы гравитации при постоянном уклоне трассы от горизонта, локальной и конвективной составляющих силы инерции газа. Для случая задания входного давления и выходного массового расхода использован итерационный процесс, позволяющий определить неизвестные граничные и внутренние значения газодинамических параметров. Для удовлетворения граничных условий постоянства массового расхода реализован метод касательных Ньютона. Исходя из особенностей составленного трансцендентного уравнения, составлена рекуррентная формула. Согласно предложенного численного метода разработаны алгоритм и программное средство в среде Pascal ABC. Проведены серии расчетов при различных длинах и уклонах участка, входного давления и выходного массового расхода газа. В настоящей работе ограничились анализом результатов вычислительного эксперимента, относящихся к путевому изменению скорости потока при различных уклонах трассы газопровода,которые демонстрировали особенности постперевального режима течения газа.Метод и алгоритм расчета допускают адаптацию для различных вариантов начальных и граничных условий, а также путевого изменения уклона трассы трубопровода.
Табиий газларни қувур орқали узатиш жараёнини моделлаштиришда фойдаланиладиган импульс ва масса сақланиш тенгламалари учинчи тартибли номаълумлардан ташкил топган.Муҳандислик амалиёт ишларида оқимнинг стационар режими учун олинган формулалардан фойдаланиш билан чегараланмоқда. Ностациоар масалалар одатда тенгламаларни чизиқлилаштириб ечилади. Объектни адекват ифодалаш учун қувурда босим йўқотишларини ифодаловчи омилларни янада тўлиқ ҳисобга олиш талаб этилади.Импульс ва масса сақланиш тенгламаларида номаълумлар даражаси зичлик билан берилган натурал логарифм кўринишидаги ёрдамчи функция киритиш билан пасайтирилган. Қаршилик қонуниятлари ва гравитация кучларининг ночизиқли ҳадлари билан ифодаланувчи тўғри ва тескари тўлқин автоном тенгламалари югурувчи тўлқинлар ёндашувини тадбиқ этиб тузилган. Бундай ёндашув тезликнинг икки масштаби мавжуд бўлганида ҳисобга олинади: қийматлари битта тартибда фарқланувчи оддий гравитацион тезлик билан кичик кўчишларнинг тарқалиш тезлиги.Куч омиллари: қаршиликнинг квадратик қонуни доирасида қаршилик кучлари, горизонтга нисбатан ўзгармас бурчак остида бўлганда гравитация кучлари, газ инерция кучларининг локал ва конвектив ташкил этувчиларини ҳисобга олган ҳолда ўта сиқилувчан газларни қувур орқали ташиш тенгламаларини ечишнинг сонли усули ишлаб чиқилган.Киришдаги босим ва чиқишдаги масса сарфи берилган ҳоллар учун газодинамик кўрсаткичларнинг номаълум чегаравий ва ички қийматларини аниқлашга имкон берувчи итерацион жараёндан фойдаланилган. Масса сарфи ўзгармаслик чегаравий шартини қаноатлантириш учун Ньютоннинг уринмалар усули тадбиқ этилган. Тузиб олинган транцендент тенглама хусусиятларидан келиб чиқиб рекуррент формула ишлаб чиқилган. Таклиф этилган сонли усулга асосан ҳисоблаш алгоритми ва Pascal ABC муҳитида дастурий восита ишлаб чиқилган. Газнинг кириш босими ва чиқишдаги масса сарфи берилганда участканинг турли узунликлари ва оғиш бурчаклари қийматлари учун сонли ҳисоблашлар ўтказилди. Мазкур ишда газ оқимининг довонорти режими хусусиятларини ифодаловчи қувур турли оғмаликлари учун оқим тезлигининг йўл-йўлакай ўзгаришларига бағишланган ҳисоблаш тажрибалари натижаларини таҳлил қилиш билан чекланилган.Ҳар хил бошланғич ва чегаравий шартлар, қувур трассаси оғиш бурчагининг ўзгаришларини хисоблаш учун келтирилган усул ва алгоритм мослаштириш имконини беради.
The equations of momentum and mass conservation, used in modeling the process of real gases pipeline transport, contain terms with third-order unknown variables.In practice of engineering, there are widely used known formulas that were obtained for the stationary flow. Unsteady problems are usually solved by linearizing the equations. In order to describe the object more adequate, more complete consideration of the factors are important determining the pressure loss in the pipeline.The degree of the unknowns in the equations of momentum and mass conservation is reduced by introducing an auxiliary function in the form of the natural logarithm of the reduced density. By using the traveling-wave approach, autonomous equations for forward and backward waves are composed, which include terms of the non-linear law of resistance and gravity. This approach takes into account the presence of two speed scales: the usual hydrodynamic gas velocity and the propagation velocity of small perturbations whose values differ by one order of magnitude.A numerical method was developed for solving the equations of supercompressible gas pipeline transport taking into account such power factors as quadratic law of resistance, gravity forces with a constant slope of the route from the horizon, and local and convective components of the gas inertia force.For the case of specifying the input pressure and output mass flow, an iterative process was used, which allows us to determine the unknown boundary and internal values of the gas-dynamic parameters. To satisfy the boundary condition of the mass flow constancy, the Newton tangent method was implemented. Based on the characteristics of the compiled transcendental equation,a recurrent formula was obtained.According to the proposed numerical method, an algorithm and software were developed using Pascal ABC environment. There was conducted a series of calculations with different lengths and slopes of the pipeline section, inlet pressure and output mass flow rate of gas. In the present work, we restricted ourselves to an analysis of the results of a computational experiment relating to the path change in the flow velocity at various slopes of the gas pipeline, which demonstrated the features of the post-cross mode of gas flow.The method and the algorithm for calculation allow adaptations for different variants of initial and boundary conditions, as well as the route variation of the slope of the pipeline.
Табиий газларни қувур орқали узатиш жараёнини моделлаштиришда фойдаланиладиган импульс ва масса сақланиш тенгламалари учинчи тартибли номаълумлардан ташкил топган.Муҳандислик амалиёт ишларида оқимнинг стационар режими учун олинган формулалардан фойдаланиш билан чегараланмоқда. Ностациоар масалалар одатда тенгламаларни чизиқлилаштириб ечилади. Объектни адекват ифодалаш учун қувурда босим йўқотишларини ифодаловчи омилларни янада тўлиқ ҳисобга олиш талаб этилади.Импульс ва масса сақланиш тенгламаларида номаълумлар даражаси зичлик билан берилган натурал логарифм кўринишидаги ёрдамчи функция киритиш билан пасайтирилган. Қаршилик қонуниятлари ва гравитация кучларининг ночизиқли ҳадлари билан ифодаланувчи тўғри ва тескари тўлқин автоном тенгламалари югурувчи тўлқинлар ёндашувини тадбиқ этиб тузилган. Бундай ёндашув тезликнинг икки масштаби мавжуд бўлганида ҳисобга олинади: қийматлари битта тартибда фарқланувчи оддий гравитацион тезлик билан кичик кўчишларнинг тарқалиш тезлиги.Куч омиллари: қаршиликнинг квадратик қонуни доирасида қаршилик кучлари, горизонтга нисбатан ўзгармас бурчак остида бўлганда гравитация кучлари, газ инерция кучларининг локал ва конвектив ташкил этувчиларини ҳисобга олган ҳолда ўта сиқилувчан газларни қувур орқали ташиш тенгламаларини ечишнинг сонли усули ишлаб чиқилган.Киришдаги босим ва чиқишдаги масса сарфи берилган ҳоллар учун газодинамик кўрсаткичларнинг номаълум чегаравий ва ички қийматларини аниқлашга имкон берувчи итерацион жараёндан фойдаланилган. Масса сарфи ўзгармаслик чегаравий шартини қаноатлантириш учун Ньютоннинг уринмалар усули тадбиқ этилган. Тузиб олинган транцендент тенглама хусусиятларидан келиб чиқиб рекуррент формула ишлаб чиқилган. Таклиф этилган сонли усулга асосан ҳисоблаш алгоритми ва Pascal ABC муҳитида дастурий восита ишлаб чиқилган. Газнинг кириш босими ва чиқишдаги масса сарфи берилганда участканинг турли узунликлари ва оғиш бурчаклари қийматлари учун сонли ҳисоблашлар ўтказилди. Мазкур ишда газ оқимининг довонорти режими хусусиятларини ифодаловчи қувур турли оғмаликлари учун оқим тезлигининг йўл-йўлакай ўзгаришларига бағишланган ҳисоблаш тажрибалари натижаларини таҳлил қилиш билан чекланилган.Ҳар хил бошланғич ва чегаравий шартлар, қувур трассаси оғиш бурчагининг ўзгаришларини хисоблаш учун келтирилган усул ва алгоритм мослаштириш имконини беради.
The equations of momentum and mass conservation, used in modeling the process of real gases pipeline transport, contain terms with third-order unknown variables.In practice of engineering, there are widely used known formulas that were obtained for the stationary flow. Unsteady problems are usually solved by linearizing the equations. In order to describe the object more adequate, more complete consideration of the factors are important determining the pressure loss in the pipeline.The degree of the unknowns in the equations of momentum and mass conservation is reduced by introducing an auxiliary function in the form of the natural logarithm of the reduced density. By using the traveling-wave approach, autonomous equations for forward and backward waves are composed, which include terms of the non-linear law of resistance and gravity. This approach takes into account the presence of two speed scales: the usual hydrodynamic gas velocity and the propagation velocity of small perturbations whose values differ by one order of magnitude.A numerical method was developed for solving the equations of supercompressible gas pipeline transport taking into account such power factors as quadratic law of resistance, gravity forces with a constant slope of the route from the horizon, and local and convective components of the gas inertia force.For the case of specifying the input pressure and output mass flow, an iterative process was used, which allows us to determine the unknown boundary and internal values of the gas-dynamic parameters. To satisfy the boundary condition of the mass flow constancy, the Newton tangent method was implemented. Based on the characteristics of the compiled transcendental equation,a recurrent formula was obtained.According to the proposed numerical method, an algorithm and software were developed using Pascal ABC environment. There was conducted a series of calculations with different lengths and slopes of the pipeline section, inlet pressure and output mass flow rate of gas. In the present work, we restricted ourselves to an analysis of the results of a computational experiment relating to the path change in the flow velocity at various slopes of the gas pipeline, which demonstrated the features of the post-cross mode of gas flow.The method and the algorithm for calculation allow adaptations for different variants of initial and boundary conditions, as well as the route variation of the slope of the pipeline.