Підвищення ефективності використання відцентрових насосів за рахунок вдосконалення математичних моделей робочого процесу

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2018 р. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної задачі підвищення ефективності роботи заглибного електровідцентрового насоса при його роботі на реальній рідині, що представляє собою суміш в'язкої неньютонівської рідини, води та газу, за рахунок вдосконалення математичних моделей. Виконано аналіз концепцій розвитку насособудування в Україні. Описано методи математичного моделювання тривимірних течій в'язкої реальної рідини та їх переваги над фізичними експериментами. Обрано пакет програм для проведення чисельного експерименту в каналах заглибних насосів OpenFOAM. Для моделювання течії рідини в проточній частині насоса використовувалась система рівнянь нерозривності та Навье-Стокса. Для її замикання було обрано k-ε модель турбулентності. Досліджено вплив реологічних властивостей неньютонівських рідин на характеристики відцентрового насоса. Наведено математичну модель турбулентної тривимірної течії неньютонівської рідини. Для розрахунків обрано модель неньютонівської рідини Гершеля-Балклі, що найбільш точно описує поведінку рідин даного типу. Вдосконалено залежності для перерахунку характеристик насосу при його роботі на реальній рідині. Визначено та обрано підхід та математичну модель для моделювання тривимірної течії в'язкої газорідинної суміші та показані особливості при розрахунках такого типу рідин в пакеті OpenFOAM. Розглянуто шляхи підвищення ефективності заглибних насосів шляхом зміни проточної частини. Визначено раціональний кут нахилу вихідної кромки. Запропоновано модифіковану ступінь насоса, котра захищена патентом України, для перекачування рідини з підвищеним вмістом газу. Розглянуто та вдосконалено математичну модель сумісної роботи реальної свердловини та заглибного відцентрового насоса у вигляді пакета прикладних програм. Це дало змогу визначати основні фізичні характеристики рідини в залежності від термодинамічних умов.

Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in speciality 05.05.16 – Hydraulic machines and hydropneumatic units. – National Technical University "Kharkiv Politechnic Institute", 2018. The dissertation is devoted to the solution of an important scientific and technical problem of increasing the efficiency of a submersible electric centrifugal pump when it operates on a real liquid, which is a mixture of viscous non-Newtonian fluid, water and gas by improving mathematical models. An analysis of the concepts of development of pumping plant in Ukraine is carried out. The methods of mathematical modeling of three-dimensional flows of a viscous real liquid and their advantages over physical experiments are described. Selected software package for numerical experiment in OpenFOAM submersible pump channels. A system of indeterminate and Navier-Stokes equations was used to simulate the flow of fluid in the flow section of the pump. For its closure a k-ε turbulence model was chosen. The influence of rheological properties of non-Newtonian fluids on the characteristics of a centrifugal pump is investigated. The mathematical model of the turbulent three-dimensional flow of the non-Newtonian fluid is given. For calculations, a model of the Herschel-Bulkley non-Newtonian fluid is chosen, which most accurately describes the behavior of liquids of this type. The dependencies for the recalculation of the characteristics of the pump during its operation on the real liquid have been improved. The approach and mathematical model for modeling the three-dimensional flow of a viscous gas-liquid mixture are determined and chosen, and features are shown in the calculations of this type of fluid in the OpenFOAM package. The ways of increasing the efficiency of submersible pumps by changing the flow part are considered. The rational angle of inclination of the initial edge is determined. The modified degree of the pump, protected by the Ukrainian patent, is offered for pumping a liquid with an increased gas content. The mathematical model of a compatible operation of a real well and a submersible centrifugal pump in the form of a package of applied programs is considered and improved. This made it possible to determine the basic physical characteristics of the liquid, depending on the thermodynamic conditions.