Динамические процессы в многофазных средах как основы волновых технологий

Ганиев, Олег Ривнерович

Динамические процессы в многофазных средах как основы волновых технологий тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Ганиев, Олег Ривнерович АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамические процессы в многофазных средах как основы волновых технологий»

Автореферат диссертации на тему "Динамические процессы в многофазных средах как основы волновых технологий"

На правах рукописи

Ганиев Олег Ривнерович

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МНОГОФАЗНЫХ СРЕДАХ КАК ОСНОВЫ ВОЛНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 01.02.06. - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 НОЯ 2013

005540817

Москва-2013

005540817

Работа выполнена в лаборатории генерации нелинейных волн Филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН» (НЦ НВМТ РАН) Научный консультант: Нигматулин Роберт Искандерович

доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН Официальные оппоненты:— Ильгамов Марат Аксанович,

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Уфимский научный центр РАН, заведующий лабораторией механики твердого тела

— Георгиевский Владимир Павлович,

доктор технических наук, Открытое акционерное общество «Корпорация «Московский институт теплотехники», главный научный сотрудник

— Матвиенко Юрий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, заведующей лабораторией моделирования повреждений и разрушений машин

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт механики и машиностроения Казанского научного центра РАН (ИММ КазНЦ)

Защита состоится 25 декабря 2013 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 002.059.04 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: 119334, г. Москва, ул. Бардина, д. 4.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук X Г.Н. Гранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Тема настоящей работы относится к области нелинейной волновой механики многофазных систем. Большинство постановок задач нелинейной волновой механики многофазных систем возникло из запросов практики, исходя из анализа потребностей различных отраслей промышленности: атомной энергетики, металлургии, нефтегазовой промышленности, машиностроения, пищевой и химической промышленностей, строительной индустрии и т.д. В этих постановках рассматриваются вопросы возникновения и распространения волн в многофазных средах и вопросы влияния нелинейных волн на процессы в таких средах. Причем изучаются как с точки зрения безопасности технологических процессов (предотвращение возникновения волн, гашение пульсаций, гидроударов и т.п.), так и с точки зрения увеличения эффективности технологических процессов и улучшения качества продукции (повышение энергоэффективности, ускорение тепломассообмена и химических реакций, увеличение степени дисперсности и смешения, увеличение скорости относительного движения фаз и т.п.).

В работе теоретически и экспериментально рассмотрен ряд задач нелинейной волновой динамики многофазных систем, возникающих в различных областях промышленности, и служащих основой для создания волновых технологий и волновых машин и аппаратов, реализующих эти технологии.

Так, анализ безопасности эксплуатации ядерных реакторов, аварийных ситуаций в металлургической промышленности и в индустрии сжиженных газов приводит к необходимости изучения последствий контакта жидкостей с существенно различными температурами. Такой контакт, возможный в результате аварии, может привести к так называемому паровому взрыву. Паровым взрывом называют явление, которое возникает в результате быстрого смешения нагретой и холодной (испаряющейся) жидкостей и приводит к тому, что значительная часть высвобождающейся энергии реализуется в виде ударной волны, которая может повредить элементы конструкции. В атомной энергетике и металлургии такие си-

туации могут возникнуть в результате попадания расплавленного топлива или металла в охладитель, в индустрии сжиженных газов - жидкого газа в воду.

Таким образом, для изучения начальной стадии парового взрыва является актуальным рассмотрение задач о динамике парового пузыря в воде , содержащего каплю сжиженного газа, и динамике парового пузыря, содержащего раскаленную частицу. А для изучения крупномасштабного парового взрыва - исследование распространения и отражения от твёрдой стенки нестационарных волн и импульсов в смеси жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющиеся капли.

С точки зрения увеличения эффективности технологических процессов является актуальным теоретическое и экспериментальное изучение волновых эффектов (в том числе в резонансных режимах) в реальных насыщенных жидкостью пористых средах для выяснения вопросов: возможно ли создать направленные фильтрационные потоки в насыщенной пористой среде и каковы механизмы приводящие к этому; можно ли удалить жидкость из пористой среды при сушке, очистить загрязненную пористую среду (например, очистка призабойной зоны нефтеносного пласта) или наоборот создать зоны пониженной проницаемости; ликвидировать пробки ретроградного конденсата, затрудняющие добычу газа при разработке газоконденсатных месторождений, и, наконец, наблюдаются ли подобные эффекты в средах экспериментально.

Для реализации волновых эффектов в технологических процесса необходимо разработать и создать специальные машины и аппараты, основным узлом которых являются генераторы колебаний и волн. Одним из часто используемых (для обработки призабойных зон продуктивного пласта, для смешения и т.п.) является проточный вихревой генератор основанный на том, что в некоторых режимах закрученный поток жидкости сопровождается возникновением нестационарных обратных токов, кавитационных и вихревых зон, что приводит к генерации волн. В ряде случаев для обработки ПЗП требуется генератор создающий периодические ударные импульсы. Такие импульсы могут быть созданы мгновенной остановкой падающего столба жидкости.

Для проектирования таких генераторов актуальным является теоретическое и экспериментальное исследование реализующихся динамических процессов и применимости их на практике.

Цель работы: Развить научные основы волновой техники и технологии с позиций волновой динамики многофазных сред.

Основные задами исследования

1. Исследовать распространение и отражение от твёрдой стенки нестационарных волн и импульсов в смеси жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющиеся капли. Исследовать влияние объёмной концентрации включений, размеров пузырей и капель, интенсивности волн и т.д. на поведение ударных вол и импульсов.

2. Теоретически и экспериментально исследовать возможность создания с помощью волнового воздействия направленных фильтрационных потоков в насыщенной пористой среде ( и механизмы приводящие к этому); удаления жидкости из пористой среды при сушке, очистки загрязненной пористой среды (например, очистки призабойной зоны нефтеносного пласта) или наоборот создания зоны пониженной проницаемости; ликвидации пробки ретроградного конденсата.

3. Исследовать механизмы возбуждения колебаний в вихревых генераторах и динамику процессов в них, провести оценку характеристик смешения в таких генераторах. Провести экспериментальные исследования их динамических характеристик. Провести теоретический анализ волновой динамики генератора ударно-волнового типа. Разработать технологические основы практического применения результатов исследований в промышленности.

Научная новизна и значимость результатов исследований

1. На основе задач о динамике парового пузыря в воде , содержащего каплю сжиженного газа, и динамике парового пузыря, содержащего раскаленную частицу, исследована динамика и выявлены особенности тепло- массообменных процессов начальной стадии парового взрыва. Показана возможность упрощения математической модели. Разработана методика оценки величины возникающего максимального импульса давления.

2. Исследовано распространение одномерных плоских ударных волн в смеси несжимаемой жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющуюся каплю, в условиях, когда проявляются локальная деформационная инерция, нестационарный тепло- массообмен и нестационарность волны. Исследовано влияние на процесс начального давления, интенсивности волны, начальной объёмной доли второй фазы (фазы "двухфазных" пузырей), начальных радиусов пузырей и капель. Показано качественное отличие поведения ударных волн в такой среде от волн в «обычных» пузырьковых жидкостей.

3. Показано, что при периодическом воздействии на несжимаемую вязкую жидкость, насыщающую несжимаемую неподвижную пористую среду, наличие неоднородности пористости среды по пространству приводит к возникновению осредненного течения жидкости в пористой среде. Причем течение направлено в сторону увеличения пористости.

4. Теоретически продемонстрирована возможность создания однонаправленных движений сжимаемой жидкости в упругой пористой среде с помощью волнового воздействия. Показан резонансный характер этих процессов и определена главенствующая роль быстрой волны, связанной с передачей импульса в скелете. Выделены основные параметры влияющие на величину среднего потока. Показано, что волновое воздействие на такие среды приводит к образованию огромных эффективных средних перепадов давления. Важным фактором при рассмотрении волновых процессов в таких средах является учет трения в скелете, которое может качественно изменить характер процессов. В прикладном к нефтедобыче аспекте это означает, что волновые воздействия могут использоваться для очистки призабойных зон скважин, освобождению капиллярно удержанной нефти, перемещению к скважинам гидродинамически несвязанных целиков и т.п.

5. Экспериментально показано, что колебания могут способствовать очистке призабойных зон пластов, то есть обеспечивать такое движение твердых частиц, закупоривающих поры пористых насыщенных жидкостью сред, которое способствует удалению частиц из пор и тем самым повышает проницаемость. После волновой обработки образцов песчаника проницаемость их возросла в 4 раза.

6. Экспериментально продемонстрирован эффект перемещения частиц внутрь пор и искусственное создание в пористой среде зон пониженной проницаемости и, что благодаря волновому воздействию проникновение бурового раствора в породу может быть существенно уменьшено.

7. Численные эксперименты показали образование в закрученном турбулентном потоке нескольких тороидальных вихрей. При возникновении «слабой» кавитации наблюдаются слабые пульсации каверны и потока, приводящие к пульсациям давления. Увеличение расхода приводит к еще большей нестационарности потока. При этом возникают периодический срыв и снос вниз по потоку паровых областей: каверна сначала слабо пульсирует, потом происходит серия срывов паровых областей и все начинается сначала. Еще большее увеличение расхода приводит режиму непрерывного периодического срыва паровых полостей.

8. Разработана научно обоснованная методика оценки степени смешения в проточных трактах, с использованием которой численное моделирование процессов гомогенизации в трехмерных смесительных установках со стационарными закрученными течениями показало, что эффективность перемешивания повышается с увеличением интенсивности закрутки потока на входе.

9. Показано, что при падении столба воды конечной длинны с некоторой высоты на жесткую неподвижную преграду можно получить значения давления на преграде значительно превосходящие значения, рассчитанные по формуле Жуковского. Преграда испытывает периодические затухающие циклы ударов и разряжений. Временные характеристики этих ударов и растяжений, а также максимальное давление достигаемое за время цикла зависят от соотношений высоты столба и высоты падения. Полученные результаты положены в основу одного из типов генераторов волн, который предназначен для возбуждения низкочастотных волновых полей давления высокой амплитуды в нефтяных пластах.

Достоверность основных научных результатов состоит в том, что некоторые из них при сравнении с экспериментальными результатами показали качественное, а в ряде случаев и количественное совпадение. Кроме того, она подтвер-

ждается тем, что в работе корректно используются строго обоснованные методы нелинейной механики численного моделирования.

Практическая ценность

Разработана методика оценки величины возникающего максимального импульса давления при начальной стадии парового взрыва. Построена модель, позволяющая оценивать интенсивность ударных волн в стадии развитого парового взрыва.

Показано, что волновые воздействия могут использоваться для очистки призабойных зон скважин, освобождению капиллярно удержанной нефти, перемещению к скважинам гидродинамически несвязанных целиков и т.п., что волновые воздействия могут способствовать очистке призабойных зон пластов, что благодаря волновому воздействию проникновение бурового раствора в породу может быть существенно уменьшено и что волновая обработка скважин позволит повысить уровень добычи газа из газоконденсатных месторождений при наличии газоконденсатной пробки.

Построена адекватная, согласующаяся с экспериментом, математическая модель вихревого генератора волн, позволяющая рассчитывать его характеристики. Разработана методика оценки степени перемешивания в проточном тракте и проведена оценка степени смешения для вихревого генератора.

Предложена расчетная методика и схема одного из типов генераторов волн, который предназначен для возбуждения низкочастотных волновых полей давления высокой амплитуды в нефтяных пластах.

Апробация работы

Отдельные фрагменты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Нелинейные колебания механических систем» в 1987г. в г.Горький, на заседании НТС Института механики МГУ им. М.В.Ломоносова в1989г., на Second Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Rome, Italy, 23-26 May, 1999, на Международной конференции по многофазным системам в г.Уфе в 2000г., на Международной научной конференции «Колебания и волны в механи-

ческих системах» в г.Москве, на ежегодных научных семинарах НЦ НВМТ РАН в 2009-2013 гг.

Публикации

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 61 научных работах, в том числе в 26 научных статьях, 22 авторских свидетельствах и патентах и 7 тезисах докладов на международных конференциях.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 232 страниц машинописного текста, 131 иллюстрацию. Библиографический список включает 146 наименования литературных источников.

Основное содержание работы

Во введении мотивируется выбор постановок задач, рассмотренных в диссертационной работе, описывается структура работы и приводятся основные результаты.

Первая глава посвящена изучению динамики и тепломассообмена "двухфазного" пузыря, содержащего в себе испаряющуюся каплю или раскалённую частицу. Для исследования поставленных задач используются методы и теория, применяемые при изучении тепломассообменных процессов вокруг капель и парогазовых пузырей.

1.1 Контакт сжиженного газа с водой - динамика пузыря, содержащего испаряющуюся каплю

В этом пункте рассматривается задача об одиночной испаряющейся капле холодной жидкости (например, сжиженного газа), находящейся в безграничной массе горячей жидкости. Пусть капля более "холодной" жидкости попадает в "горячую" жидкость. Предполагается, что температура горячей жидкости значительно превышает температуру кипения холодной жидкости (7гор. » 7кип.хол.). В процессе испарения возникает паровой слой, отделяющий одну жидкость от другой. В этом паровом слое реализуется практически весь основной перепад температур. В связи с этим большое значение приобретает решение тепловой задачи в

паре, которая характеризуется малой, по сравнению с радиусом капли, толщиной парового слоя в начальные моменты времени, большими градиентами температур и плотностей в слое, значительными изменениями величин теплофизических характеристик пара в данном интервале температур, сложным динамическим поведением парового слоя и т.д. Всё это делает рассматриваемую задачу достаточно сложной для решения. Задача исследуется в сферически симметричной постановке. Приводятся качественные выводы, сделанные на основании численного анализа, исследуется применимость полученного в настоящей работе квазистационарного решения тепловой задачи в паре.

Рассмотрим сферическую каплю окружённую сферическим паровым слоем, в безграничной жидкости. Таким образом, задача является сферически симметричной и все параметры задачи зависят от радиальной эйлеровой переменной г и времени t . Будем также предполагать, что "холодная" капля и окружающая "горячая" жидкость несжимаемы, для пара примем уравнение состояния калори-чески совершенного газа. Давление в паре можно считать однородным по пространству, что реализуется в широком классе задач с газовой и жидкими фазами. Уравнение неразрывности, притока тепла и состояния для пара в данной постановке имеют вид:

dpg | 1 Эуу,р/ = Q dt г2 дг

(8Tg дТЛ 1 д(. 2дТ Л

л с —- + w„—- =—— л г2—S- +— ' g{ dt g дг J г2 Эг^ * дг ) dt

Pg = РДХ

d(t) < r< a(t)

где pg pg Tg cg Ag Rg vv? - плотность, давление, температура, теплоёмкость при постоянном давлении, коэффициент теплопроводности, газовая постоянная и скорость пара; d(t) - радиус испаряющейся капли, a(t) - внешний радиус парового слоя. Здесь, и далее, индексы d ,g , I относятся к холодной капле , пару и горячей окружающей жидкости соответственно.

Для капли и окружающей жидкости уравнения неразрывности, притока тепла и состояния примут вид:

Pdcé

ÔL I д(. 2 дТа л

А, Г

dt г2 дг \ " дг pd = const, wd - const 0 <r<d(t)

Ptci

8T,

■ w.

dTj

дг ) г2 дг V дг р, = const, w,r2 = wlna2 (/) a(t) < г

где wla- скорость горячей жидкости на границе с паровой прослойкой (wu, =wl(a,t)).

Для решения уравнений необходимо привлечь граничные условия, отражающие связь этих уравнений и взаимодействие фаз на межфазных границах:

дг

= О

• = d{t) Ç = pgd >v

dd(t) dt

dd{t) dt

Pgd = Pg fc), Tg=T,= TJpi;)

^JL^IsL dp ld

dT 4

К —

* дг

1___1_

VP* Pa

ÔT

к—

Л, V дг Jd

где 1(1 - удельная теплота испарения вещества капли; интенсивность фазового перехода, отнесённая к единице поверхности и времени (£> 0 - соответствует испарению); Т3/р) - температура насыщения пара, для определения которой используется уравнение Клапейрона-Клаузиуса вдоль линии насыщения (индекс

- соответствует значениям величин по линии насыщения). Здесь применяется наиболее распространённая квазиравновесная схема фазового перехода.

r = a(t)

8 дг

' дг

т =т

ga la

da(t) 2сг

r —> CO 7} —» = const, p px= const где a - коэффициент поверхностного натяжения.

Также необходимо привлечь уравнение радиального движения жидкости Рэлея-Ламба:

,dWta , 3 2 _ Pla ~ Р<

a— + -wla

Л 2 р,

Как отмечалось выше, для рассматриваемой задачи характерно значительное изменение характеристик пара по толщине парового слоя. Так, например, для систем вода (300 К) - сжиженный водород (температура кипения Т5 = 22 К при давлениир = 1 бар), или вода (300 К) - сжиженный гелий (Тх = 4,2 к прир = 1 бар) коэффициент температуропроводности пара = ^g|{Pgcg) меняется в 40 раз,

что является следствием изменения коэффициента теплопроводности пара (меняется более чем в 3 раза) и сильным изменением плотности пара по толщине слоя. Этот факт - существенная особенность задач с большими отношениями температур Тр/Туя (Тг - температура "горячей" жидкости, 7д5 - температура испарения "холодной" жидкости), которая не имела места в задачах динамики пузырька в жидкости и капли в паро- газовой среде, но сильно заметна в системах с криогенными жидкостями.

Таким образом, в уравнении притока тепла для пара необходимо учитывать зависимость плотности пара и коэффициента теплопроводности от темпера-

туры Лг = ЯДГ), pg = pg(T,p). Для зависимости плотности от температуры мы

имеем уравнение состояния калорически совершенного газа и для замыкания выписанной выше системы уравнений и граничных условий необходимо ещё задать функцию Xg(T).

Наиболее простой аппроксимацией зависимости коэффициента теплопроводности пара от температуры является линейное приближение этой зависимости

Я8(Т) = А-Т +В

Остальные характеристики сред (Я,, pt, cd, с ,ld, Лп рп С)) можно считать постоянными.

Уравнения с граничными условиями решались численно. Расчёты проводились для различных размеров капель (0.1 - 2.0 мм) холодной жидкости. В качестве горячей жидкости бралась вода при комнатной температуре 293 К, а в качестве холодной жидкости - различные сжиженнные газы при температуре кипения. Давление в паре в начальный момент принималось равным р= 1 бар.

В результате численного анализа выяснилось, что изменения температуры насыщения газа Ts и температуры поверхности раздела пара и воды малы ( ATS(P)/ Ts(Pq) □ 1 , AT\J Tic,o □ 1 ) и можно считать эти температуры постоянными. Таким образом, можно не решать уравнения теплопроводности в капле и в воде, а решать только уравнение теплопроводности в паре. Анализ процесса показывает, что из-за pg П р^ характерное время изменения радиуса капли за счёт испарения многократно превышает характерное время тепловых процессов. Поэтому можно считать, что на интервале времени, сравнимом с тепловым временем, радиус капли остаётся постоянным, что было подтверждено расчётами.

В рассматриваемых случаях можно выделить две стадии: первая,или динамическая, во время которой в течение времени ~ dl / Dg давление в паровом слое пульсирует: вторая, или термическая стадия, когда давление в паре установилось и равно Pg = Ра,, профиль температур приближается к квазистационарному рас-

пределению, а паровой слой монотонно растёт. Во время динамической стадии большое влияние на характер процесса имеет начальное значение толщины парового слоя.

Показано, что поведение давления носит осцилляционный характер, причём амплитуда осцилляции и время их затухания возрастают с уменьшением начальной толщины парового слоя. Уменьшение толщины слоя приводит к резкому возрастанию значений скорости испарения и скорости изменения радиуса слоя в начальные моменты времени. Всё это связано с ростом градиентов температур в паровом слое при уменьшении его толщины.

Расчеты позволяют сделать вывод, что на второй стадии процесса (термической) значения переменных практически не зависят от начальных условий. И на этой стадии характеристики системы представляют собой медленно меняющиеся функции времени и характерные времена их изменения сравнимы с характерным временем тепловых процессов в паре. В связи с этим имеет смысл рассмотреть отдельно стационарное решение уравнений тепло- и массообмена в паре, когда все параметры не зависят от времени, а на поверхности капли имеется постоянный вдув (испарение) пара.

Отбрасывая частные производные по времени в уравнениях неразрывности и притока тепла для пара, получим обыкновенные дифференциальные уравнения с граничными условиями, приводящими к краевой задаче. Решение этой задачи имеет вид:

К =

ас1

а-а

<1Т

1п

(т -т )

; у

йг

г с

А{т*~т„)

В-

1п

1+-

(т -т У

г в* /

= К (1/ й-Ц г)

Также можно получить обыкновенное дифференциальное уравнение для определения радиуса паровой прослойки а в следующем виде:

ас!4К2

ас/

а-йV Ъср{х)с1 + К (Ах+В)1„

<£5

(К-<р(х)с1)5х 1,+ф-Т^)

с1х

<р{х) = А(х-Тр)+ В--(1,-Т^)

1п

Проведенный анализа позволяет сделать вывод о пригодности квазиста-

* * 2

ционарного приближения для времён I > О.Н , где / = с!п / - характерное

время тепловых процессов в паре, и решать всю систему уравнений нужно только на динамической стадии процесса. Подчеркнём ещё раз, что переменность коэффициента теплопроводности в паре является немаловажной особенностью задачи. Пренебрежение этим фактором может сильно повлиять на результаты расчётов.

1.2 Контакт расплавленного металла с водой - динамика пузыря, содержащего раскаленную частицу

В этом пункте исследуется задача о раскалённой частице, находящейся в безграничной массе холодной жидкости. Эта задача сохраняет основные особенности задачи, рассмотренной в пункте 1.1. Отличием является то, что здесь испаряется окружающая жидкость и в связи с этим возрастает роль тепловой задачи в жидкости. Проводится анализ результатов расчётов и моделей, предложенных другими авторами.

Также для частицы, как и для капли, процесс можно разделить на две стадии: начальную динамическую и последующую тепловую. Причём, в тепловой стадии поведение системы хорошо описывается квазистационарным решением уравнений теплопроводности. Так в этом случае оно имеет вид:

йТ С

а-а\2 х )

а 2

В обоих случаях, как для горячей частицы так и для испаряющейся капли, уменьшение начальной толщины парового слоя приводит к увеличению продолжительности динамической стадии и интенсификации процессов во время её. Существенной особенностью обеих задач является зависимость коэффициента теплопроводности пара от температуры.

1.3 Оценка величины максимального импульса, возникающего при паровом

взрыве

Важной характеристикой парового взрыва является величина акустического импульса при возникновении пленочого кипения на частицах(каплях). Оценим эту величину на основе результатов п. 1.2. Допустим, что все горячие частицы имеют одинаковые размеры и равномерно распределены внутри сферической зоны взаимодействия. В результате роста пленки пара вокруг каждой частицы зона взаимодействия будет увеличиваться и возникает акустический импульс, величину которого необходимо определить. Для этого воспользуемся формулой, которая определяет давление на поверхности зоны взаимодействия [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М. : Наука. 1980.736с.]:

Р=1 + М^(1 + а,3/?)

йа Ж

+ а

^ Л ,а а

Л2

а =-

где /3, р0, В.- объемная доля горячих частиц, плотность и радиус зоны взаимодействия в начальный момент. Таким образом, проблема сводится к задаче о росте паровой оболочки вокруг одиночной частицы.

Используя результаты расчетов по полной модели, приведенные в п. 1.2 (принимая ¡3= 0,001, /? = 0,1 м), можем получить величину импульса порядка 43 бар.

Таким образом, по приведенной методике можно оценить величину максимального импульса, возникающего при паровом взрыве, что исключительно важно с точки зрения анализа безопасности эксплуатации ядерных реакторов, аварийных ситуаций в металлургической промышленности и в индустрии сжиженных газов.

Вторая глава посвящена исследованию распространения и отражения от твёрдой стенки нестационарных волн и импульсов в смеси жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющиеся капли. Анализ проводится в рамках одномерной плоской модели. За основу взята модель пузырьковой жидкости; "двухфазные" пузыри моделируются в рамках квазистационарного приближения, полученного в первой главе. Для исследования поставленных задач используются методы и теория, применяемые при исследовании волновых процессов в газо- и парожидкостных пузырьковых средах.

Исследовано распространение одномерных плоских ударных волн в смеси несжимаемой жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющуюся каплю, в условиях, когда проявляются локальная деформационная инерция, нестационарный тепломассообмен и нестационарность волны. Исследовано влияние на процесс начального давления, интенсивности волны, начальной объёмной доли второй фазы (фазы "двухфазных" пузырей), начальных радиусов пузырей и капель.

Показано, что при определённых условиях существенное влияние на характер распространения волны оказывает нестационарное испарение капель в зоне перед волной. Это испарение приводит к повышению давления перед волной и волна как бы взбирается на растущую полочку давления. Скорость роста давления

перед волной определяется интенсивностью испарения капель. На рис.1 показан передний фронт волны бегущей вправо в различные моменты времени до момента отражения.

Уменьшение относительной толщины парового слоя за счёт увеличения радиуса капли при постоянном радиусе пузыря или за счёт уменьшения радиуса пузыря при постоянном радиусе капли приводит к увеличению градиента температур в паровом слое и следовательно к интенсификации испарения капли. Это приводит к увеличению скорости роста давления перед волной, а при условиях, когда нестационарность состояния перед волной подавлена (высокое статическое давление) приводит к увеличению скорости волны и амплитуды осцилляции. Отметим, что с некоторого момента уменьшение радиуса капли при постоянном радиусе пузыря не приводит практически ни к каким изменениям. Это объясняется уменьшением влияния испарения на динамику процесса при уменьшении радиуса капли. И наступает момент, когда это влияние становится пренебрежимо мало.

В отличие от пузырьковых жидкостей увеличение степени диспергирования включений при фиксированной объёмной концентрации фаз приводит не к уменьшению амплитуды осцилляции, а наоборот - к увеличению амплитуды осцилляции. В пузырьковых жидкостях уменьшение начальных размеров пузырьков приводит к увеличению диссипации энергии волны посредством механизма теплопроводности. А в рассматриваемых смесях увеличение степени диспергирования приводит к увеличению удельного теплового потока из несущей жидкости во вторую фазу и увеличению поверхности испарения в единице объёма смеси, что приводит к более интенсивному испарению.

Уменьшение начальной объёмной концентрации второй фазы приводит к увеличению скорости распространения волны и к незначительному уменьшению амплитуды осцилляции.

Результаты расчётов показывают, что наростание амплитуды максимального пика давления имеет монотонный характер и что через некоторое время волна выходит на практически стационарную фазу распространения. При этом давление в волне на "стационарной" фазе распространения может превышать интенсивность падающей волны на величину, большую чем начальное давление.

Отражение волны от твёрдой стенки носит существенно нелинейный характер и максимальное давление, достигаемое на стенке, превышает интенсивность падающей волны в несколько раз ( для Рж=2 - Кр ~ 5.5). Значение максимального давления, достигающееся на жёсткой стенке, в первую очередь зависит от амплитуды падающей волны, а также от концентрации и степени диспергирования второй фазы. На рис.2 показан передний фронт волны в различные моменты времени после момента отражения от правой стенки.

Рис.2

В третьей главе рассмотрены несколько задач посвященных течению жидкостей и газов в пористой среде при наличии волнового воздействия.

3.1 Неоднородность пористости - одни из механизмов создания направленных потоков при волновом воздействии

Рассмотрено одномерное (вдоль оси х) установившееся движение вязкой несжимаемой жидкости в неоднородном пористом несжимаемом и неподвижном скелете при периодическом воздействии на жидкость (интерес представляет среднее за период движение жидкости). Физические свойства пористого скелета А'„ считаются неоднородными по пространству. Тогда:

v2 -0, р°2= const, р° = const

а, = а10(х), а, + а2 - \,к = к0(х),

—L-L = 0, a,v, - q{t) ox

f dq , 1 da. Л -—ч'-—г-v dt a, dx ;

Л O + xa)

axk dx

Здесьскорость, объемная концентрация, истинная плотность ¡-й фазы (1-жидкость, 2 - скелет), А:-проницаемость скелета,//, -динамическая вязкость жидкости, К(1,х„,- коэффициенты трения и присоединенной массы, рх-давление в жидкости.

Пусть при х=Ь поддерживается постоянное давление р[ (Ь), а при х=0 задано периодическое изменение давления р, (0) = р1 (Ь) + Р0 ътфтМ). Тогда, проинтегрировав уравнение (1) по х от 0 до Ь получим нелинейное обыкновенное дифференциальное уравнение для определения ц . Используя разложение по малому параметру можно получить следующее выражение для осредненного по времени расхода жидкости:

где

/Л к

I = Г 1 .¡у ! = «.(¿)-«,(0) 1 + хт а,(£) + д,(0)

2 >а,(у)К{у) 3 «,(!)«,(0) [ 2 а1(1)а1(0) Х*

Как следует из этого выражения, наличие неоднородности пористости среды ОТ, по пространству приводит к возникновению одностороннего в среднем течения жидкости в пористой среде при периодическом воздействии. Причем течение направлено в сторону больших значений пористости (определяется знаком разностиах (/,) — а, (0) в выражении для /3), т.е. в сторону расширения проходного сечения для жидкости. Это означает, что волновое воздействие, например, на нефтяной пласт может приводить к перетоку жидкости на границах раздела из низкопористых слабопроницаемых участков коллектора в участки с высокой пористостью, в частности к притоку жидкости из блоков в трещины в трещиновато-пористых коллекторах, что позволяет увеличить добычу трудноизвлекаемой нефти.. При равенстве значений пористости на границах среднее течение не возникает (при рассмотренных граничных условиях на давление).

Пусть проницаемость среды постоянна, а распределение пористости задано следующей ступенчатой функцией:

оф) = а,(0), 0 <у<1г; а1(у) = а](1), 1г<у< 1

Можно получить следующие зависимости для среднесуточного расхода </ (см.рис. 3):

Рис. 3. Зависимости суточного расхода жидкости </,л/3 /сут через единицу площади поверхности при а, (0) = 0.3 для /г = 0.5, 0.8, 0.9 (кривые 1-3), Р0 = 105 Па

Показано, что кривые абсолютного значения расхода жидкости в зависимости от значения пористости на одном конце интервала имеют немонотонный характер (существует максимум).

Было показано что, при наличии постоянного перепада давления (например, разница между пластовым давлением и давлением на забое) градиент пористости и градиент постоянного давления могут «работать» как в одном направлении, так и противоположных.

Показано, что вибрационная составляющая может иметь значительный вес в общем потоке, особенно на границе с низкопористыми слоями или блоками. С увеличением амплитуды воздействия эта доля может значительно превышать составляющую, связанную с постоянным градиентом давления.

3.2 Волновые механизмы движения при вынужденных нелинейных колебаниях насыщенной жидкостью пористой среды. Резонансные потоки

Здесь рассмотрен вопрос о возможности преобразования волновых движений пористой насыщенной жидкостью среды в односторонне-направленное монотонное движение жидкости, обеспечивающее, например, приток жидкостей продуктивных пластов к скважинам либо удаление жидкости из пористой среды при сушке и т.п. Такие виды движений могут быть реализованы в пористых насыщенных жидкостью средах благодаря тому, что в неоднородных волновых полях импульс, переданный от скелета к жидкости за период колебаний, может быть отличным от нуля. Это обусловлено разного рода нелинейностями, а также неодно-родностями волновых полей. Волны, распространяясь по нелинейной среде (в ча-

стности, по насыщенной жидкостью пористой среде), при выполнении определенных условий трансформируют колебательные движения в мощные направленные в одну сторону монотонные движения.

Рассмотрим простейшее одномерное волновое движение насыщенной сжимаемой жидкостью упругой пористой среды, расположенной на отрезке 0 < х < Ь, которое описывается системой уравнений:

дтр дтри _ 5(1 - т)Я 5(1 - т)Ян> _ 5/ дх ' 81 дх

(ди даЛ „,, дн» ЗиЛ др дсг' 8Е 8Е дк

— + и— + Д(1-ш)--ьн'— =—— +-, — + н>— = —

д1 дх) I д1 дх I дх дх д1 дх дх

Г. I, члГ Зг» диЛ . \f5vt' (ЗиЛ др цт ,

ш»П + й 1-м — + н— \ -mpa (1-ш)--н и-— = -т---(и -

И{- V дх) Н К \д1 дх) дх к У

= (1 - т)[(Л, + 2/1,) Е + у/Р], = 1 + Д (р - р0)

Рц

= 1+ /?,[/>-Л-(Л, + 2/,, )£]

где т — пористость среды; р, Я — плотности жидкости и скелета среды; и, и> — скорости жидкости и скелета среды; а— коэффициент присоединенной массы; с/- фиктивное напряжение среды; к — проницаемость; Л/ — модуль объемной упругости скелета; ц — динамическая вязкость жидкости; Е — деформация скелета; р — давление жидкости; — модуль сдвига скелета; V/-- Л/-Д; Д, Д — сжимаемости жидкости и материала пористой среды соответственно.

Все параметры, соответствующие невозмущенному состоянию среды, здесь и далее указаны с индексом ноль.

С целью оценки влияния различных видов потерь энергии в системе на исследуемые процессы также учтем не только межфазное трение между жидкостью и скелетом, но и диссипацию (трение) в самом скелете. Для этого можно использовать реологию вязкоупругой среды, которая может быть описана различными моделями, например, по модели Кельвина-Фойгта, учитывающей линейную зависимость тензора напряжений не только от тензора деформаций, но и от тензора скоростей деформаций. Будем считать, что тонкий пористый слой, совершая одномерные горизонтальные движения, зажат (сверху и снизу) между неподвижны-

ми и несжимаемыми слоями (сверху и снизу), прилипая к ним. В этом случае для упрощения модели предположим, что эффективное внутренне трение (диссипация) в пористой среде по аналогии с течением Пуазейля пропорционально скорости скелета. Для этого в правой части одномерного уравнения импульсов второй фазы вводится член вида: —где С^ - эффективный коэффициент трения в скелете.

На левом конце отрезка задается фиктивное напряжение а' = 0 и давление в жидкости в виде суммы постоянной составляющей давления ра и возмущения в виде гармонических колебаний, на правом конце — отсутствие перемещений скелета, а также равенство давления его невозмущенному значениюро.

Ограничимся нахождением периодического по времени установившегося

2л

частного решения краевой задачи с периодом —, используя метод возмущении.

со

Зависимость фильтрационного потока ¡1 от частоты показывает, что имеются диапазоны частот, в которых могут возникнуть существенные фильтрационные потоки.

На рис.4а для значения параметров ги0 = 0,1; = 2620 кг/м3; р0 = 1000 кг/м3; /?, = 444-Ю"12 мс2/кг; Д, = 294'Ю"13 мс2/кг; уг = 6125-Ю-4; Яг= 20833'Ю6 кг/мс; Р(= 25'109 кг/мс2; (х = Ю"3 кг/(м-с); с, = 0,1с"1; к = Ю"'2;а= 1/2; Ь = 500м,рп = З'Ю7 кг/мс2, А = 105 кг/мс2 приведены зависимости фильтрационного потока Ц от частоты возбуждения оз. Потоки направлены в сторону источника волн. Как видим, в ряде узких диапазонов частот значения фильтрационных потоков достигают весьма значительных величин.

На рис.4б представлено сопоставление фильтрационных потоков, вызванных резонансным волновым воздействием, и потоков, вызванных постоянным градиентом давления и рассчитанных по закону Дарси. Видно, что волновое воздействие может быть эквивалентно огромным градиентам давления, не достижимым на практике.

а б

Рис. 4

Так, например, при частоте воздействия ~ 2,5Гц на рассматриваемом участке возникает такой же фильтрационный поток, как и при приложении стационарного градиента давления ~ 20 бар/м. На участке длиной 500 м для создания такого стационарного градиента необходим перепад ~ 10000 бар.

Частоты, при которых реализуются наибольшие для данных значений всех остальных параметров задачи фильтрационные потоки, обусловленные волнами, назовем в данном разделе резонансными сор. Зависимость резонансной частоты от длины интервала Ь приведена на рис. 5.

е>р,Тц N4, 1000 \

¡00 \

¿0

0,1 1 10 ¡00 £.м

Рис. 5

Как видим, для получения наибольшего фильтрационного потока, обусловленного волнами, на интервалах ~ 1 м, возбуждение должно иметь частоту ~ 1 кГц.

На рис.6 приведены значения градиентов давления, которые реализуют такие же фильтрационные потоки, как и волны, обусловленные колебаниями давления с частотами со , в стационарных течениях согласно закону Дарси.

ах 10000 у '*чч

У у" 100 \ \

V, ч

0,1 : ¡0 100 1м

Рис. 6

Как видим, наибольшие потоки, обусловленные волнами, возможны на интервалах длиной от 5 до 15 м. Они эквивалентны стационарным фильтрационным потокам, обусловленным огромными градиентами давления, превосходящими 10000 бар/м.

Следует отметить также, что не все значения постоянных, характеризующих физические свойства среды, известны достаточно точно. Так, например, нет достоверных данных о коэффициенте трения скелета С[. Для того, чтобы оценить влияние этого параметра на амплитуды волн и как следствие на фильтрационные потоки, были проведены многочисленные расчеты. Типичные зависимости амплитуд волн от частоты для разных значений сг приведены на рис.7, где кривые 1, 2, 3 соответствуют значениям С{= 0; 0,1; 0,2. Отметим, что здесь для примера приведены зависимости значений амплитуды потока жидкости и в точке х = 0 от частоты.

0), ГЗ.М 'С ■ -7;- — г — У*

/ \

____

——- -— •—."Г"--

Рис. 7

Как видим, амплитуды существенно зависят от Аналогичные зависимости имеют место и для других амплитуд. Учитывая, что фильтрационный поток пропорционален квадрату амплитуд, можно показать, что фильтрационные потоки также существенно зависят от вязкости скелета среды.

вт «г«-

- - — ----- __________

с о.: м с.с ;5 с, ,с-'

Рис.8

На рис.8 приведена зависимость значений ¿7(0), вычисленных для частот со = а>р, от С{. Как следует из рис.8, амплитуды колебаний снижаются более чем на порядок при увеличении с,- от 0,1с" до 0,3с"'. При этом величина фильтрационного потока уменьшается более чем на два порядка.

Анализ показывает, что, если волновое поле вызвано колебаниями давления с амплитудой 10 бар, то эффект возникновения аномально больших фильтрационных потоков в волновых полях (скорости которых превышают скорости фильтрационных потоков, обусловленных стационарным градиентом давления большим, чем 1 бар/м) имеет место только для тех насыщенных жидкостью пористых сред, вязкость скелета которых характеризуется < 0, 5. Если же С{ > 0, 5, фильтрационные потоки, обусловленные волнами, ниже.

Важным фактором при рассмотрении волновых процессов в таких средах является учет трения в скелете, которое может качественно изменить характер процессов (при отсутствии диссипации в скелете потоки получаются нереально большими).

Вопрос о практическом осуществлении установленного эффекта требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Однако, промысловые эксперименты на нефтяных месторождениях Краснодарского края и Удмуртии по площадной обработке группы скважин, гидродинамически связанных по продуктивному пласту, показали перспективность данного направления по

увеличению текущей и конечной нефтеотдачи пласта за счет вовлечения в разработку застойных зон и различных экранированных участков.

3.3 Волновая очистка пористой среды от загрязнений в виде твердых частиц в порах - основа волновой технологии очистки призабойных зон продуктивных пластов

Было проведено экспериментальное исследование, где использовался вихревой гидродинамический генератор. В опытах использовалась экспериментальная буровая машина, которая позволяла моделировать процессы, происходящие вблизи нефтяных скважин при реальных значениях параметров. Было экспериментально показано, что колебания могут способствовать очистке призабойных зон пластов, то есть обеспечивать такое движение твердых частиц, закупоривающих поры пористых насыщенных жидкостью сред, которое способствует удалению частиц из пор и тем самым повышает проницаемость. После волновой обработки образцов песчаника проницаемость их возросла в 4 раза.

3.4 Экспериментальные основы волновой кольматации скважин при бурении

Были проведены лабораторные испытания модифицированного долота, оборудованного волновым генератором. Для этих опытов было выбрано долото НР63 8 3/8" фирмы «Reed». Экспериментальная буровая машина позволяла выполнить полномасштабное бурение в условиях приближенных к реальным сква-жинным условиям.

Экспериментально продемонстрирован эффект перемещения частиц внутрь пор и искусственное создание в пористой среде зон пониженной проницаемости. Такого рода эффекты бывают необходимы при вскрытии во время бурения продуктивных пластов для создания слабопроницаемого экрана («корки»), препятствующей проникновению бурового раствора в продуктивный пласт. Экспериментально показано, что благодаря волновому воздействию проникновение бурового раствора в породу может быть существенно уменьшено.

3.5 Ликвидация пробок ретроградного конденсата в газоконденсатных пластах с помощью волновых воздействий

В одномерной постановке моделировалось истечение смеси метана и н-бутана из неподвижного твердого однородного скелета пористой среды. Движение считалось изотермичным с фазовыми переходами.

Вначале моделировалось образование жидкой пробки ретроградного конденсата, а затем с целью разрушения жидкой пробки и увеличения среднеинте-грального расхода компонентов газоконденсатной смеси были рассчитаны варианты низкочастотного волнового и ударно-волнового воздействий.

На основе полученных данных можно сделать следующие выводы:

• при образовании "жидкой" пробки основную долю в расходе газовой фазы на выходе из пласта составляет более легкий компонент - метан, а в расходе жидкой фазы - более тяжелый компонент - н-бутан;

• применение волнового воздействия на пласт позволяет существенно повысить среднеинтегральный расход компонентов газоконденсатной смеси на выходе;

• при волновом воздействии на пласт с ростом амплитуды или частоты колебаний расход на выходе увеличивается.

Полученные результаты дают возможность говорить о том, что волновая обработка скважин позволит повысить уровень добычи газа из газоконденсатных месторождений. Для этого необходимо подобрать и промоделировать такой вариант воздействия, который может быть применен на реально действующей скважине.

Проведенные экспериментальные исследования показали адекватность разработанных моделей. Измеренные профили давлений на экспериментальном участке показали удовлетворительное согласие с расчетными кривыми. Экспериментальные исследования волнового воздействия на частотах автоколебаний показали увеличение расхода для смеси метан -н-бутан до 41% и смеси метан-пропан-бутан - до 220%.

Установленные результаты являются достаточным основанием для проведения опытных экспериментов в промысловых условиях. Они представляют со-

бой научные основы новой волновой технологии разработки газоконденсатных месторождений.

В четвертой главе рассмотрены два типа волновых генераторов.

4.1 Закрученные кавитирующие потоки. Научные основы мощных вихревых генераторов волн

Численно исследовалось осесимметричное турбулентное течение смеси вязкой жидкости и пара в прямой цилиндрической трубе. Кавитация моделировалось источниковыми членами, описывающими испарение и конденсацию пара.

Расчеты показали, что при малых расходах жидкости через генератор течение является стационарным и пульсаций потока не наблюдается. При этом в области течения образуются тороидальные вихревые зоны (см. рис. 9, приведены линии тока и цветом показаны уровни давления).

Рис.9

При отсутствии кавитации течение стационарное и эти вихри соответствуют застойным зонам (с точки зрения процесса перемешивания).

С увеличением расхода при достижении в какой-либо точке течения критического значения давления в течении возникают паровые зоны. При возникновении кавитации (образование паровой фазы) поток становится нестационарным. При «слабой» кавитации наблюдаются слабые пульсации каверны и потока, приводящие к пульсациям давления. На рис.10 показаны линии тока и цветом линии уровня объемной концентрации газа, на рис. 11 показана осциллограмма пульсаций давления на оси генератора в точке г =10.

Рис.12

Рис.10

Рис. 11

Дальнейшее увеличение расхода приводит к еще большей нестационарности потока. При этом возникают периодический срыв и снос вниз по потоку паровых областей: каверна сначала слабо пульсирует, потом происходит серия срывов паровых областей и все начинается с начала (на рис. 12, показаны мгновенные линии тока, цветом показаны линии уровня объемной концентрации газа, видно оторвавшийся пузырь). На рис. 13 показана осциллограмма пульсаций давления на оси генератора в точке 2=10.

р, оар

, I.... I.... .1....

О 0,02 0,04 0.06

Рис.13

Еще большее увеличение расхода приводит режиму непрерывного периодического срыва паровых полостей. На рис. 14 показана осциллограмма пульсаций давления на оси генератора в точке г = 10, соответствующая этому режиму. - р, бар

к!

.............

1 и

I, С

0,04 0,06 0,04 1,00

Рис.14

При ламинарном течении нестационарные процессы возникают даже при отсутствии кавитации. В потоке периодически возникают и сносятся вниз по течению тороидальные вихри, что приводит к пульсациям давления.

Кроме того, моделирование процессов гомогенизации в трехмерных смесительных установках со стационарными закрученными течениями показало, что эффективность перемешивания повышается с увеличением интенсивности закрутки потока на входе.

Эксперименты подтвердили все установленные теоретически эффекты: колебания давления действительно возбуждаются, депрессивная зона возникает, об-

ратные токи имеют место, кавитационные зоны на выходе из генератора также периодически возникают.

На рис.15 приведены типичные результаты экспериментов. Расход жидкости, протекающей через генератор, составлял 1200 л/мин, расстояние от генератора до датчиков И = 120 мм, перепад давления на генераторе - 135 бар.

Динамическое давление, бар

Спект п [ульсаци й давлеш -¡я, ав

,-Л'-

А и „У"'1 Ч1 1

Частота, кГц | 1

0 5 10 15 20 25 30 35 45 50

Рис.15

Как видим, спектр имеет максимумы в области 1 кГц, 11 кГц, 12,5 кГц, а также в ультразвуковой области 28-38 кГц.

Полученные результаты позволили сделать практические рекомендации по разработке режимно-технологических параметров гидродинамических генераторов волн для волновой технологии очистки загрязненных призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин. Заметный эффект, полученный при проведении промысловых экспериментов в НГДУ «Ямашнефть» (республика Татарстан), наблюдался при совмещении кислотных обработок карбонатных коллекторов и волнового воздействия.

4.2 Низкочастотные генераторы ударно-волнового типа

В зависимости от практических потребностей в ряде случаев бывают необходимы генераторы, создающие ударные импульсы. Принцип действия описанных ниже конструкций, предназначенных для ударного воздействия, можно охарактеризовать как мгновенная остановка падающего столба жидкости. Для определения амплитуды ударного воздействия и формы импульса необходимо знать волновую картину (динамику распространения прямых и отраженных волн сжатия и разряжения), возникающую в жидкости.

Получены формулы позволяющие оценить скорость движения нижнего (бьющего) конца падающего столба жидкости и величину первого удара. Показано, что при падении столба воды конечной длинны с некоторой высоты на жесткую неподвижную преграду можно получить значения давления на преграде значительно превосходящие значения, рассчитанные по формуле Жуковского. Преграда испытывает периодические затухающие циклы ударов и разряжений. Временные характеристики этих ударов и растяжений, а также максимальное давление достигаемое за время цикла зависят от соотношений высоты столба и высоты падения.

Так на рис.16 показаны временные диаграммы давления на преграде при падении столба воды высотой 500м с различных высот. На всех графиках первый резкий скачек давления соответствует моменту контакта столба жидкости с преградой. На первых двух графиках (Ь - 0,25; 1,25 м) второй подъем давления соответствует приходу волны сжатия, возникшей при отражении первой волны разряжения от свободной поверхности, а последующий спад соответствует приходу волны разряжения, возникшей при отражении от свободной поверхности первой ударной волны (возникшей при контакте с преградой).

р, бар 150

300

°0 0,4 0,8 1,2 1.6 г, с

Рис.16

На следующих трех графиках (Ь=2; 2,5; 3 м) увеличение амплитуды удара о преграду вызвано ускорением нижнего конца столба волной сжатия, образовавшейся при отражении от верхнего конца волны разряжения.

На рис.17 для разных высот столба приведены зависимости максимального давления, достигаемого на преграде за все время, от высоты падения. Видно, что максимальное давление превосходит гидростатическое давление для соответствующей высоты столба. На рис.18 приведены зависимости отношения максимального давления к гидростатическому. Уменьшение максимального относительного давления с ростом высоты столба вызвано увеличением потерь на трение при прохождении волнами большего расстояния между отражениями. Заметный нелинейный характер графика для высоты 500м имеет место и для других высот, но он сильно ослабляется потерями на трение.

Рис.17 Рис.18

Результаты, полученные в этом разделе, положены в основу одного из типов генераторов волн, который предназначен для возбуждения низкочастотных

волновых полей давления высокой амплитуды в нефтяных пластах и который прошел апробацию в объединении «Удмуртнефть».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При исследовании динамики и тепломассообменных характеристик процесса парового взрыва получены следующие результаты

1.1 Для начальной стадии парового взрыва были рассмотрены две задачи в сферически симметричной постановке: о динамике парового пузыря в воде , содержащего каплю сжиженного газа, и динамике парового пузыря, содержащего раскаленную частицу.

Анализ характерных временных масштабов и результаты расчётов показали, что в случае пузыря с частицей температура частицы практически не меняется. Для случая пузыря с каплей изменение радиуса капли на значительном интервале времени пренебрежимо мало(т.к. плотность капли много больше плотности её пара), распределение температуры капли остается практически однородным по пространству и влияние тепловых процессов в окружающей жидкости пренебрежимо мало.

На рассматриваемые процессы оказывает существенное влияние зависимость коэффициента теплопроводности пара(газа) от температуры. В случаях контакта криогенной жидкости с «горячей» жидкостью (задача о пузыре с испаряющейся каплей) важным фактом является сильное изменение плотности пара по толщине паровой прослойки из-за близости температуры криогенной жидкости к абсолютному нулю, что приводит к сильной нелинейности уравнения теплопроводности газа.

Исследуемые процессы состоят из двух стадий: динамической и термической. Начальные условия сказываются только на динамической стадии процесса -* * *

для времён ? < 0.1 I -^0.2 ? , где / характерное время прогрева парового (газового) слоя. Для этой стадии характерно пульсирующее поведение давления и быстрый рост парового слоя. При этом, уменьшение числа Пекле Ре = £//'" (/"' - характерное время пульсаций пузыря) приводит к увеличению амплитуды пульсаций давления и продолжительности динамической стадии.

Обе стадии сильно зависят от межфазного тепломассообмена. Полученное аналитически, квазистационарное решение уравнения теплопроводности в паре

(газе) практически достаточно точно описывает поведение системы во время не

* *

только термической стадии (¿>0.1 I -¡-0.2 / ), но и динамической стадии.

Предположения о линейности профиля температур в паровом слое и независимости коэффициента теплопроводности пара от температуры приводит к качественно неверным результатам.

Приведена методика, по которой можно оценить величину максимального импульса, возникающего при паровом взрыве.

1.2 При изучении полномасштабной модели парового взрыва исследовано распространение одномерных плоских ударных волн в смеси несжимаемой жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющуюся каплю, в условиях, когда проявляются локальная деформационная инерция, нестационарный тепломассообмен и нестационарность волны. Исследовано влияние на процесс начального давления, интенсивности волны, начальной объёмной доли второй фазы (фазы "двухфазных" пузырей), начальных радиусов пузырей и капель.

Показано, что при определённых условиях существенное влияние на характер распространения волны оказывает нестационарное испарение капель в зоне перед волной. Это испарение приводит к повышению давления перед волной и волна как бы «взбирается» на растущую полочку давления. Скорость роста давления перед волной определяется интенсивностью испарения капель.

В работе рассмотрены варианты образовавшихся парожидкостных систем с различными начальными размерами паровых пузырей и размерами капель внутри них. Уменьшение относительной толщины парового слоя при выборе больших радиусов капли при фиксированном радиусе пузыря или за счёт уменьшения радиуса пузыря при фиксированном радиусе капли приводит к реализации более значительных градиентов температур в паровом слое, что приводит к более интенсивному испарению капли. А это означает, что реализуется более высокая скорость роста давления перед волной. В условиях, когда нестационарность состояния перед волной подавлена (высокое статическое давление) это приводит к

более высокой скорости волны и большей амплитуде осцилляций. Показано, что с некоторого значения уменьшение радиуса капли при фиксированном радиусе пузыря не приводит практически ни к каким изменениям. Это объясняется уменьшением влияния испарения на динамику процесса при малых размерах капли. Так что начиная с некоторых значений это влияние становится пренебрежимо мало.

В отличие от пузырьковых жидкостей увеличение степени диспергирования включений при фиксированной объёмной концентрации фаз приводит не к уменьшению амплитуды осцилляции, а наоборот - к увеличению амплитуды осцилляции. В пузырьковых жидкостях при меньших начальных размерах пузырьков диссипация энергии волны из-за теплопроводности становится больше. А в рассматриваемых смесях увеличение степени диспергирования приводит к увеличению удельного теплового потока из несущей жидкости в паровую фазу и увеличению поверхности испарения в единице объёма смеси, что приводит к более интенсивному испарению.

Уменьшение начальной объёмной концентрации включений приводит к увеличению скорости распространения волны и к незначительному уменьшению амплитуды осцилляции.

Результаты расчётов показывают, что в процессе распространения волны амплитуда максимального пика давления монотонно увеличивается и через некоторое время волна выходит на практически стационарную фазу распространения. При этом давление в волне на "стационарной" фазе распространения может превышать интенсивность падающей волны на величину, большую чем начальное давление.

Отражение волны от твёрдой стенки носит существенно нелинейный характер и максимальное давление, достигаемое на стенке, превышает интенсивность падающей волны в несколько раз. Так для Рх=2 коэффициент увеличеня давления при отражении Кр ~ 5.5. Значение максимального давления, достигающееся на жёсткой стенке, в первую очередь зависит от амплитуды падающей волны, а также от концентрации и степени диспергирования включений.

2. При изучении волновых процессов в пористых насыщенных жидкостью среда при наличии неоднородности среды и волновых механизмов создания дополнительных фильтрационных потоков показано, что при вибрационном воздействии на несжимаемую вязкую жидкость, насыщающую несжимаемую неподвижную пористую среду, наличие неоднородности пористости среды а, по пространству приводит к возникновению осредненного течения жидкости в пористой среде при периодическом воздействии (величина течения квадратично зависит от амплитуды воздействия). Причем течение направлено в сторону увеличения пористости (определяется знаком разности пористости на концах интервала), т.е. в сторону расширения проходного сечения для жидкости. В частности это означает, что волновое воздействие на нефтяной пласт (или любую другую пористую среду, например, фильтры) может приводить к перетоку жидкости на границах раздела из низкопористых слабопроницаемых участков коллектора в участки с высокой пористостью, например, к притоку жидкости из блоков в трещины в трещинова-топористых коллекторах, что позволяет увеличить добычу нефти. При равенстве значений пористости на границах осредненное течение не возникает.

Зависимость расхода жидкости от разности пористостей на концах пористого тела является немонотонной (существует максимум).

Доказано, что влияние амплитуды колебаний может иметь значительный вес в общем потоке, особенно на границе с низкопористыми слоями или блоками. И с увеличением амплитуды воздействия может значительно превышать составляющую, связанную с постоянным градиентом давления.

3. При исследовании фильтрационных потоков в упругом скелете с учетом диссипации в нем продемонстрирована возможность создания однонаправленных движений жидкости в пористой среде с помощью волнового воздействия. Показан резонансный характер этих процессов и определена главенствующая роль быстрой волны, связанной с передачей импульса в скелете. Выделены основные параметры влияющие на величину среднего потока. Показано, что волновое воздействие на такие среды приводит к образованию огромных эффективных средних перепадов давления. В прикладном к нефтедобыче аспекте это означает,

что созданные в среде волновые поля могут использоваться для очистки приза-бойных зон скважин, освобождению капиллярно удержанной нефти, перемещению к скважинам гидродинамически несвязанных целиков и т.п.

Показано, что важным фактором при рассмотрении волновых процессов в таких средах является учет трения в скелете, которое может качественно изменить характер процессов (при отсутствии диссипации в скелете потоки получаются нереально большими).

4. Экспериментально доказано, что колебания могут способствовать очистке призабойных зон пластов, то есть обеспечивать такое движение твердых частиц, закупоривающих поры пористых насыщенных жидкостью сред, которое способствует удалению частиц из пор и тем самым повышает проницаемость. После волновой обработки образцов песчаника проницаемость их возросла в 4 раза.

Продемонстрирован эффект перемещения частиц внутрь пор и искусственное создание в пористой среде зон пониженной проницаемости. Такого рода эффекты бывают необходимы при вскрытии во время бурения продуктивных пластов для создания слабопроницаемого экрана («корки»), препятствующей проникновению бурового раствора в продуктивный пласт. Экспериментально доказано, что благодаря волновому воздействию проникновение бурового раствора в породу может быть существенно уменьшено.

5. Исследование течения газоконденсатной смеси в пористом скелете при наличии ретроградной конденсации позволило сделать следующие выводы:

5.1 При образовании "жидкой" пробки основную долю в расходе газовой фазы на выходе из пласта составляет более легкий компонент - метан, а в расходе жидкой фазы - более тяжелый компонент - н-бутан;

5.2 Применение волнового воздействия на пласт позволяет существенно повысить среднеинтегральный расход компонентов газоконденсатной смеси на выходе;

5.3 При волновом воздействии на пласт с ростом амплитуды или частоты колебаний расход на выходе увеличивается;

5.4 Проведенные экспериментальные исследования показали адекватность разработанных моделей. Измеренные профили давлений на экспериментальном участке показали удовлетворительное согласие с расчетными кривыми. Экспериментальные исследования волнового воздействия на частотах автоколебаний показали увеличение расхода для смеси метан -н-бутан до 40% и смеси метан-пропан-бутан - до 220%.

Установленные результаты являются достаточным основанием для проведения опытных экспериментов в промысловых условиях. Они представляют собой научные основы новой волновой технологии разработки газоконденсатных месторождений.

6. При численном исследовании динамики вихревого кавитационного генератора волн показана возможность образования в закрученном турбулентном потоке нескольких тороидальных вихрей. При отсутствии кавитации течение стационарное и эти вихри соответствуют застойным зонам (с точки зрения процесса перемешивания). При возникновении кавитации течение становится нестационарным. При «слабой» кавитации наблюдаются слабые пульсации каверны и потока, приводящие к пульсациям давления. Увеличение расхода приводит к еще большей нестационарности потока. При этом возникают периодический срыв и снос вниз по потоку паровых областей: каверна сначала слабо пульсирует, потом происходит серия срывов паровых областей и все начинается сначала. Еще большее увеличение расхода приводит режиму непрерывного периодического срыва паровых полостей.

Экспериментально подтверждены все установленные теоретически эффекты: колебания давления действительно возбуждаются, депрессивная зона на оси течения возникает, обратные токи имеют место, кавитационные зоны на выходе из генератора также периодически возникают.

7. При изучении динамики низкочастотного генератора ударно-волнового типа получены формулы, позволяющие оценить скорость движения нижнего (бьющего) конца падающего столба жидкости и величину первого удара. Показано, что при падении столба воды конечной длинны с некоторой высоты на жесткую неподвижную преграду можно получить значения давления на преграде значительно превосходящие значения, рассчитанные по формуле Жуковского. Преграда испытывает периодические затухающие циклы ударов и разряжений. Временные характеристики этих ударов и растяжений, а также максимальное давление достигаемое за время цикла зависят от соотношений высоты столба и высоты падения.

Полученные результаты положены в основу одного из типов генераторов волн, который предназначен для возбуждения низкочастотных волновых полей давления высокой амплитуды в нефтяных пластах.

Результаты промышленного использования генераторов ударноволнового и вихревого типов типа в нефтяной промышленности показали, что при волновой обработке призабойных зон скважин, которые проводились с использованием генераторов, наблюдалось увеличение дебитов не только в той скважине, где был установлен генератор, но также в окружающих ее скважинах. Кроме того, в этих удаленных скважинах наблюдалось также снижение обводненности. Эти скважины могут находиться на весьма значительном расстоянии от обрабатываемой скважины.

Все результаты работы использованы и продолжают использоваться при

создании аппаратов и машин волновой технологии для различных отраслей промышленности: нефтяной нефтегазовой, нефтехимической, строительной, пищевой, энергетики, экологии и других. Соответствующие разработки проводятся с участием автора коллективом, руководимом академиком РАН Р.Ф. Ганиевым.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи, опубликованные в журналах рекомендованных ВАК и иностранных издательствах:

1. Ганиев Р. Ф., Украинский Л. Е., Ганиев О. Р., Устенко И. Г. Волновая динамика смеси ткань-жидкость-газ. Теория и эксперимент.//Проблемы машиностроения и надежности машин. Машиноведение. №4, 1997, с.79 -83

2. О.Р.Ганиев, Н.С.Хабеев Динамика и тепломассобмен пузыря, содержащего испаряющуюся каплю. // Изв.РАН. МЖГ. 2000. №5. С.88-95

3. Ганиев O.P., Хабеев Н.С. Ударные волны в жидкости с пузырями, содержащими испаряющиеся капли сжиженного газа. // Изв. РАН МЖГ 2002. №3 С.98-107.

4. Л. Е. Украинский,О. Р. Ганиев Экспериментальное исследование однонаправленных течений в пористой среде, насыщенной жидкостью, при волновом воздействии. // ДАН, т.409, №1, июль 2006г., с.39-42

5. O.P. Ганиев Влияние периодического воздействия на осредненное течение в неоднородной пористой среде, насыщенной жидкостью. Изв. РАН. МЖГ, №2, 2006, с.98-104.

6. Р.Ф.Ганиев, Л.Е.Украинский, О.Р.Ганиев Резонансные фильтрационные потоки в пористой среде, насыщенной жидкостью. Доклады Академии Наук, 2007, том 412, № 1,с. 1-4.

7. Н. С. Хабеев, О. Р. Ганиев Динамика паровой оболочки вблизи нагретой частицы, помещенной в жидкость. // Прикладная механика и техническая физика. Т.48. № 4, 2007, сс. 69-78

8. O.P. Ганиев. Резонансные эффекты при распространении волн в пористой среде, насыщенной жидкостью. // Вестник Московского авиационного института, том 16, N2, 2009, с. 154 - 161.

9. Ганиев О.Р. Применение вихревых кавитационных генераторов волн для очистки призабойных зон скважин. Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2009. № 6. С. 9-13.

10. Ганиев Р.Ф., Шмырков О.В., Жебынев Д.А., Ганиев С.Р., Ганиев О.Р., Фельдман A.M. Исследование влияния геометрических размеров гидродинамического вихревого генератора колебаний давления на спектральные характеристики. Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2010. № 5. С. 15-19.

11. Украинский Л.Е., Зайченко В.М., Ганиев О.Р., Савенков А.В. Влияние волнового воздействия на фильтрационное течение углеводородов в газоконден-сатных пластах при наличии ретроградной конденсации. Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49. № 1. С. 122-125.

12. Ганиев О.Р., Кузнецов Ю.С. и др. Волновые технологии в процессах вскрытия пластов с сохранением их естественной проницаемости // Специализированный журнал «Бурение и нефть». 2012. №12. С. 24-26

13. N.S. Khabeev, A.F. Bertelsen, O.R.Ganiev Mathematical modelling of Vapor Explosions.// Mechanics and Applied Mathematics, No. 4, August 1998, Preprint, Department of Mathematics, University of Oslo, pp.16

14. Bertelsen A.F., Ganiev O.R., Khabeev N.S. Shock waves in liquids with bubbles containing evaporating drops. В сборнике: American Society of Mechanical Engineers, Heat Transfer Division, (Publication) HTD 2000. C. 209-211.

Монографии:

15. Веденин А.Д., Ганиев O.P., Ганиев С.Р. и др. Волновые технологии и машины (Волновые явления в технологиях.). М.: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 66 с.

Авторские свидетельства и патенты:

16. Ганиев Р.Ф., Кормилицын В.И., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Устройство для гомогенизации и приготовления смесей. Патент РФ №2306972 от 17.10.2005. Бюл.№27, 2007

17. Ганиев Р.Ф, Ганиев О.Р., Кормилицын В.И. и др. Способ подготовки и сжигания жидкого топлива и устройство для его осуществления. Патент РФ №2310132. Бюл.№31,2007

18. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Ганиев O.P. и др. Энергетическая установка для сжигания жидкого топлива. Патент РФ №2310133 от 05.10.2006. Бюл. №31,2007

19. Ганиев Р.Ф., Касилов В.П., Ганиев O.P. и др. Роторно-волновая мельница. Патент на полезную модель № 99354 от 13.07.2010. Официальный бюллетень Евразийского патентного ведомства №32 от 20.11.2010

20. Ганиев O.P., Украинский Л.Е., Касилов В.П. и др. Роторно-волновой классификатор. Патент на полезную модель № 99729 от 13.07.2010. Официальный бюллетень Евразийского патентного ведомства №33 от 27.11.2010

21. Ганиев O.P., Украинский Л.Е.., Касилов В.П. и др. Резонансный двигатель крутильных колебаний. Патент РФ на полезную модель № 99996 от 13.07.2010. Официальный бюллетень Евразийского патентного ведомства №34 от 10.12.2010

22. Ганиев O.P., Украинский Л.Е., Касилов В.П. и др. Роторно-волновой дозатор сыпучих веществ. Патент РФ № 100236 от 13.07.2010. Официальный бюллетень Евразийского патентного ведомства №34 от 10.12.2010

23. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев O.P., Ганиев С.Р. Resonant torsional vibration motor. Международная заявка на выдачу патента №W02011RU00369 от 05.26.2011 года. http//worldwide.espacenet.com

24. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев O.P., Ганиев С.Р. Resonant vibration screen. Международная заявка на выдачу патента №W02011RU00368 от 05.26 2011 года. http//worldwide.espacenet.com

25. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев O.P., Ганиев С.Р. Rotary-wave measuring hopper for free-flowing substances. Международная заявка на выдачу патента №W02011RU00369 от 05.26 2011 года. http//worldwide.espacenet.com

26. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев O.P., Ганиев С.Р. Rotary vibrating mill. Международная заявка на выдачу патента №W02011RU00366 от 05.26 2011 года. http//worldwide.espacenet.com

27. Ганиев O.P., Кузнецов Ю.С. и др. Устройство для очистки продуктивного пласта. Патентная заявка РФ № 2011145320/03 от 09.11.2011

28. Ganiev R.F.; Ganiev O.R.,; Kasilov V.P.; Ganiev S.R. Resonant torsional vibration motors. Международная заявка W02012008876 от 2012-01-19

29. Ganiev R.F.; Ganiev O.R.,; Kasilov V.P.; Ganiev S.R. Resonant vibration screen. Международная заявка W02012008875 от 2012-01-19

30. Ganiev R.F.; Ganiev O.R.,; Kasilov V.P.; Ganiev S.R. Rotary-wave measuring hoppers for free-flowing substances. Международная заявка W02012008874 — 2012-01-19

31. Ганиев Р.Ф., Украинский JI.E., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Роторно-волновой дозатор сыпучих веществ. Евразийская заявка №201200757 от 18.06.2012

32. Еаниев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Резонансно-волновой классификатор. Евразийская заявка №201200758 от 18.06.2012

33. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Роторно-волновая мельница. Евразийская заявка №201200759 от 18.06.2012

34. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Резонансный двигатель крутильных колебаний. Евразийская заявка №201200760 от 18.06.2012

35. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур. Патент РФ №124564 от 03.08.2012.

36. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Волновой гомогенизатор. Патентная заявка РФ №2013135099 от 26.07.2013

37. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Касилов В.П., Ганиев О.Р., Ганиев С.Р. Роторно-волновая мельница. Патентная заявка РФ №2013135100 от 26.07.2013

Другие публикации:

38. Ганиев О.Р. Динамика, тепло- и массообмен жидкости с «двухфазными» пузырями. // Автореферат кандидатской диссертации. г.Тюмень, 1991.

39. Khabeev N.S., Ganiev O.R. Dynamics of a vapor shell around a heated particle in a liquid Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2007. T. 48. № 4. C. 525-533.

40. Ganiev O.R., Khabeev N.S. Dynamics and heat and mass transfer of a bubble containing an evaporating drop. Fluid Dynamics. 2000. T. 35. № 5. C. 702-708.

41. О.Р.Ганиев. Задача об ударе столба сжимаемой жидкости о неподвижную преграду. Проблемы механики: Сб.статей. К 90-летию со дня рождения А.Ю.Ишлинского/ под ред. Д.М.Климова, Физматлит, Москва, 2003г., с.208-214.

42. Р.Ф.Ганиев, О.Р.Ганиев, J1.E.Украинский. Экспериментальные исследования по интенсификации фильтрации призабойных зон скважин с помощью волновых воздействий. Проблемы механики: Сб.статей. К 90-летию со дня рождения А.Ю. Ишлинского/под ред. Д.М.Климова, Физматлит, Москва, 2003г., с.215-220.

43. Ganiev O.R. Effect of a periodic action on average flow in an inhomogene-ous liquid-saturated porous medium. Fluid Dynamics. 2006. T. 41. № 2. C. 257-262.

44. O.R. Ganiev and L.E. Ukrainskiy. Experimental Investigation of Unidirectional Flows in a Porous Medium Saturated with Liquid under a Wave Impact. . Dok-lady Physics, 2006, № 7

45. R. F. Ganiev, L. E. Ukrainskiy, and O. R. Ganiev Resonance Filtration Flows in a Fluid-Saturated Porous Medium. Doklady Physics, 2007, № 1

46. Ukrainskii L.E., Zaichenko V.M., Ganiev O.R., Savenkov A.V. Effect of the wave action on the hydrocarbon filtration flow in gas condensate strata in the presence of retrograde condensation. //High temperature, vol. 49, № 1, 123-126, 2011

47. Чукаев А.Г., Ганиев О.P., Ганиев С.P., Беляев Ю.А. Получение устойчивой мелкодисперсной системы при приготовлении высокотехнологичных смазочных сред с применением волновой технологии Химия и технология топлив и масел. 2009. № 5. С. 37-40.

48. Chukaev A.G., Ganiev O.R., Ganiev S.R., Belyaev Yu.A. Making a stable dispersed system for high-technology lubricants by wave technology Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2009. T. 45. № 5. C. 359-364.

49. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский Jl.E. Раздел 4.3 Вынужденные нелинейные колебания насыщенной жидкостью пористой среды. Резонанс. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский J1.E. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

50. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский JT.E., Ревизников Д.Л., Винни-ков В.В., Чередов В.В. Раздел 5.1.3 Перемешивание в плоских потоках с плохо-обтекаемыми элементами. Математическая постановка задачи. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

51. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Раздел 5.2 Закрученные кавитирующие потоки. Научные основы мощных вихревых генераторов волн. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

52. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Раздел 5.4 Низкочастотные генераторы ударного типа. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

53. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Савенков A.B. Раздел 7.5 Ликвидация пробок ретроградного конденсата в газоконденсатных пластах. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

54. Ганиев O.P., Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Панин С.С, Ганиев С.Р., Пустовгар А.П Раздел 8.4.1 Волновая технология в строительной прмышленно-сти. В книге Нелинейная волновая механика и технологии. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», М., 2008.

Тезисы докладов на международных конференциях:

55. Ганиев O.P. Динамика «многофазного» пузыря с внутренним источником массы или энергии.// Тезисы Всесоюзной конференции «Нелинейные колебания механических систем», сентябрь 1987г., г.Горький, т.2, с.76.

56. N.S. Khabeev, O.R. Ganiev, S.Bailey Dynamics of Vapor Bubble Containing a Heated Particle// Proc. of Second Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Rome, Italy, 23-26 May, 1999, Vol.2, pp.987-993.

57. N.S. Khabeev, O.R. Ganiev Shock Waves in Liquids with Two-Phase Bubbles//Proc. of Int. Conference on Multiphase Systems, Ufa, Bashkortostan, Russia, 15-17 June, 2000, pp.237-240

58. Р.Ф. Ганиев, B.M. Зайченко, И.Л. Майков, Л.Е. Украинский, O.P. Га-ниев. Научные основы повышения газоконденсатоотдачи пластов с помощью волновых воздействий Материалы Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах» (тезисы докладов), М.: Изд-во Институт компьютерных исследований», 2012, с. 42

59. Л.Е.Украинский, О.Р.Ганиев, И.Г.Устенко. Волновой метод очистки призабойных зон продуктивных пластов от кольматирующих загрязнений. Критерий для оценки эффективности волнового воздействия. Материалы Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах» (тезисы докладов), М.: Изд-во Институт компьютерных исследований», 2012, с.44

60. А.П. Аверьянов, O.P. Ганиев. Оптимизации гидравлических условий бурения и заканчивания скважин. Материалы Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах» (тезисы докладов), М.: Изд-во Институт компьютерных исследований», 2012, с.47

61. Ю.С. Кузнецов, O.P. Ганиев, Д.Р. Султанов, С.М. Петров. Струйно-волновой кольмататор и материал кварц в технологиях повышения нефтеотдачи. Материалы Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах» (тезисы докладов), М.: Изд-во Институт компьютерных исследований», 2012, с. 54

л,

Соискатель

O.P. Ганиев

Подписано в печать: 20.11.2013

Заказ № 9829 Тираж - 100 экз.

Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreierat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, доктора технических наук, Ганиев, Олег Ривнерович, Москва

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ НАУКИ ИНСТИТУТА МАШИНОВЕДЕНИЯ ИМ. А.А. БЛАГОНРАВОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК «НАУЧНЫЙ ЦЕНТР НЕЛИНЕЙНОЙ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ РАН» (НЦ

НВМТ РАН)

05201450402 На пРавах ру™™™

Ганиев Олег Ривнерович

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МНОГОФАЗНЫХ СРЕДАХ КАК ОСНОВЫ ВОЛНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

01.02.06. - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - д.ф.-м.н., профессор, академик РАН Р.И.Нигматулин

Москва - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................6

ГЛАВА 1. ПАРОВОЙ ВЗРЫВ И БЕЗОПАСНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ, МЕТАЛЛУРГИИ И ИНДУСТРИИ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА "МИКРОМАСШТАБНОГО" ПАРОВОГО ВЗРЫВА.....................................................................................................13

1.1 Контакт сжиженного газа с водой - динамика пузыря, содержащего испаряющуюся каплю............................................................................................17

1.2 Контакт расплавленного металла с водой - динамика пузыря, содержащего раскаленную частицу....................................................................42

1.3 Оценка величины максимального импульса, возникающего при паровом взрыве.......................................................................................................63

Выводы......................................................................................................................64

ГЛАВА 2. К ВОПРОСУ ОБ УДАРНОВОЛНОВОЙ НАГРУЗКЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В ЖИДКОСТИ С ПУЗЫРЯМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ИСПАРЯЮЩИЕСЯ КАПЛИ СЖИЖЕННОГО ГАЗА -ПОЛНОМАСШТАБНАЯ МОДЕЛЬ ПАРОВОГО ВЗРЫВА.......................66

2.1 Постановка задачи о распространении ударных волн в смеси жидкости и сжиженного газа. Использование квазистационарного приближения тепловой задачи.......................................................................................................69

2.2 Влияние тепломасообмениых процессов на волновую динамику. Отличие от "обычных" пузырьковых жидкостей. Нелинейное усиление отраженной волны..................................................................................................75

Выводы......................................................................................................................95

ГЛАВА 3. ВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЦЕССАМ ФИЛЬТРАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ (МАШИНОСТРОЕНИИ, НЕФТЕГАЗОДОБЫЧЕ И Т.Д.). ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРИСТЫХ НАСЫЩЕННЫХ ЖИДКОСТЬЮ СРЕДАХ. ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ СРЕДЫ И ВОЛНОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ СОЗДАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ. ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕТРОГРАДНЫЙ КОНДЕНСАТ...............................................................................................97

3.1 Неоднородность пористости - одни из механизмов создания направленных потоков при волновом воздействии........................................98

3.2 Волновые механизмы движения при вынужденных нелинейных колебаниях насыщенной жидкостью пористой среды. Резонансные потоки. ...................................................................................................................................110

3.3 Волновая очистка пористой среды от загрязнений в виде твердых частиц в порах - основа волновой технологии очистки призабойных зон продуктивных пластов.........................................................................................128

3.4 Экспериментальные основы волновой кольматации скважин при бурении....................................................................................................................136

3.5 Ликвидация пробок ретроградного конденсата в газоконденсатных пластах с помощью волновых воздействий.....................................................141

3.5.1 Теоретическое исследование возникновения ретроградных газоконденсатных пробок и влияния на них волн............................................142

3.5.2. Экспериментальное моделирование нестационарных процессов в газоконденсатных пластах..................................................................................155

ГЛАВА 4. ВОЛНОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ - ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ВОЛНОВЫХ МАШИН И АППАРАТОВ. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГЕНЕРАТОРОВ ВОЛН. ОЦЕНКА ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ В ТЕЧЕНИЯХ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ...........................................................168

4.1 Закрученные кавитирующие потоки. Научные основы мощных вихревых генераторов волн................................................................................168

4.1.1 Математическая постановка задачи..........................................................169

4.1.2 Возникновение тороидальных вихрей......................................................172

4.1.3 Возникновение кавитационных зон и кавитационный механизм возбуждения колебаний......................................................................................174

4.1.4 Механизм колебаний, обусловленный сносом и срывом тороидальных вихрей при ламинарных течениях. Обратные токи.........................................179

4.1.5 Перемешивание в закрученных потоках. Оценка эффективнсти смешения..............................................................................................................182

4.1.6 Гидравлическое сопротивление генераторов..........................................190

4.1.7 Экспериментальные исследования генераторов.....................................191

Выводы..................................................................................................................193

4.2 Низкочастотные генераторы ударно-волнового типа.............................194

4.2.1 Расчет скорости контактной границы......................................................195

4.2.2 Оценка скорости движения границы и силы удара падающего столба

жидкости о неподвижную преграду с учетом силы трения............................198

4.2.3. Падение столба жидкости конечной длинны при наличии силы тяжести.

Мощные периодические удары. Отличие от формулы Н.Е.Жуковского......199

4.2.4 Выводы.........................................................................................................203

4.3 Обработка участков залежей периодическими ударными волнами -перспективный метод повышения нефтеотдачи. Реагирующие блоки скважин...................................................................................................................204

ВЫВОДЫ..................................................................................................208

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................218

Введение

1. Постановка проблем в области нелинейной волновой механики многофазных систем - основе волновой технологии.

Анализ потребностей промышленности (нефтегазодобывающей промышленности, химической технологии, машиностроения, энергетики, агропромышленного комплекса, строительства, экологии, материаловедения, пищевой промышленности и др.) приводит к научно-технической постановке проблем в области волновой механики многофазных систем.

Многофазные среды широко представлены в различных природных и технологических процессах. Во многих случаях основой технологического процесса является относительное движение дисперсной фазы (жидких капель, газовых пузырьков, твердых частиц и т.п.) относительно дисперсионной (несущей) фазы. При этом механическое движение многофазной среды существенно влияет на большинство физико-химических процессов, как например, фазовые переходы, химические реакции, тепломассообмен, дробление или коагуляция частиц и т.п.

Таким образом, реализация требуемых типов движений многофазных сред является одним из ключевых моментов при создании или интенсификации технологических процессов при наименьших энергетических затратах с сохранением или увеличением производительности.

Как установлено в нелинейной волновой механике [22], реализация таких типов движений наиболее эффективна в условиях нелинейных резонансов совокупности механических конструкций технологических аппаратов и многофазных сред. В этих условиях основное движение (течение) многофазной среды может существенно измениться.

Таким образом, основной идеей является то, что с помощью весьма малых периодических воздействий в условиях нелинейного резонанса добиться существенного изменения динамических характеристик поведения многофазной системы, создания мощных дополнительных движений

неколебательного характера, например, направленных монотонных движений дисперсных фаз относительно несущей жидкой фазы или пористой среды, либо периодических движений многофазной системы, приводящих к разделению (сепарации) фаз или интенсивному перемешиванию с целью получения однородных и гомогенных эмульсий, суспензий; появлению дополнительных фильтрационных потоков в пористых средах и т.п.

Анализ технологий из разных отраслей техники позволил сделать вывод о необходимости интенсификации или создания принципиально новых технологических процессов, к некоторым из которых можно отнести:

• Смешение, гомогенизация, диспергирование, измельчение, активация;

• Разделение и сепарация, классификация;

• Транспорт многофазных сред и фильтрация в пористых средах;

• Тепломассообменные и механохимические процессы в многофазных средах.

Этот анализ послужил основой для обоснования постановок задач нелинейной волновой механики многофазных сред.

Во многих отраслях техники, например, в химической технологии, в пищевой промышленности и в материаловедении и др. с целью смешения или гомогенизации используются различные типы мешалок, которые уже во многом достигли своего предела.

То же самое касается и процессов разделения и сепарации, для более тонких процессов разделения нет экономичных сепараторов и разделителей. Существенное улучшение фильтрационных процессов, например, в повышении нефтегазоотдачи пластов, пропитке пористых сред, в том числе нанопор, требует разработки принципиально новых подходов по многократному повышению их эффективности.

Этот анализ можно продолжать по самым разным направлениям, также сравнивая с другими, давно известными методами, в том числе с традиционными методами вибротехники и ультразвуковых технологий, но

главный итог состоит в том, что имеется ряд типовых процессов и технологий, связанных с обработкой многофазных систем, как показали исследования и промышленные эксперименты, обосновывающие целесообразность разработки нелинейной волновой механики и волновых технологий.

Следовательно, ставится задача эффективного преобразования энергии колебаний и волн в многофазной системе в энергию других форм неколебательных движений, следствием которых являются различные физико-химические процессы, необходимые для реализации соответствующих технологий, т.е. при определенных условиях появляются возможности эффективного преобразования энергии колебаний и волн в энергию других форм движений, необходимых для выполнения технологических процессов.

Таким образом, из вышеизложенного вытекает следующая постановка проблемы нелинейной волновой механики многофазных систем:

Создание радикальных (т.е. таких, скорости которых настолько превосходят скорости исходных движений фаз, что становятся возможными эффективные технологические приложения) форм движений неколебательного характера в многофазных системах в условиях нелинейных резонансных взаимодействий при малых энергозатратах.

В качестве примеров приведем ряд характерных типовых постановок:

• Создание направленных движений дисперсных фаз (капель жидкости, твердых и газовых или других включений) относительно колеблющейся несущей жидкости, которые могут быть использованы в процессах разделения и сепарации фаз многофазной системы.

• Определение интенсивных периодических и непериодических (хаотичных) движений включений относительно колеблющейся жидкости, которые способствуют перемешиванию и гомогенизации многофазной системы, следствием которых может быть интенсивное протекание физико-химических превращений, тепло-массообменных процессов, получение однородных стабильных эмульсий, суспензий и, в том числе, наноматериалов.

• Получение устойчивых динамических структур многофазной системы, которые могут быть рекомендованы в качестве оптимальных транспортных режимов газожидкостных потоков, сыпучих сред и т.п.

• Определение движений различных включений (капель жидкости, твердых частиц и газовых пузырей) относительно колеблющейся жидкости, приводящих либо к их локализации в пространственно ограниченных зонах течения, зависящих от многих параметров системы, в частности, от плотности и размеров включений, либо их удалению из этих зон.

• Установление процессов управляемой волновой резонансной турбулизации многофазной системы как в ограниченных объемах, так и проточных системах при обеспечении высокой производительности.

• Выявление мощных кавитационных и кавитационно-вихревых режимов в проточных системах и системах периодического принципа действия, позволяющих создавать различные типы технологических процессов, связанных с тонким диспергированием, измельчением, активацией, гомогенизацией различных материалов в химической технологии, в пищевой промышленности, в материаловедении, в строительстве, в нанотехнологиях.

• Нахождение волновых резонансных режимов движений в сыпучих средах, связанных с активацией, смешением (в том числе равномерным распределением малых добавок в большом количестве основного вещества), ориентируясь на приложения в пищевой промышленности, в материаловедении, в строительстве, а также при разработке эффективных классификаторов по размерам сыпучих сред.

• Создание дополнительных фильтрационных потоков жидкостей и газов в насыщенных ими пористых средах, аномальных дополнительных перепадов давлений, которые невозможно получать традиционными способами. Эти результаты могут быть рекомендованы для повышения нефтеотдачи пластов, для интенсификации технологических процессов по пропитке пористых сред,

мембранных технологий, очистке и самоочистке фильтров, заполнению нанопор и т.п.

Таким образом, нелинейная волновая механика является научной базой волновых технологий. В свою очередь в процессе разработки волновых технологий применительно к конкретным отраслям техники появляется необходимость в проведении ряда новых прикладных научных исследований. Это приводит к появлению новых научных постановок в области нелинейной волновой механики. Нелинейная волновая механика и волновая технология взаимно дополняют друг друга.

2. Анализ круга решаемых проблем и характеристика основных результатов, представленных в работе.

В главе 1 для изучения начальной стадии парового взрыва были рассмотрены две задачи в сферически симметричной постановке: о динамике парового пузыря в воде , содержащего каплю сжиженного газа, и динамике парового пузыря, содержащего раскаленную частицу.

Показано, что существенным фактором для рассматриваемых задач является зависимость коэффициента теплопроводности пара(газа) от температуры. Важной особенностью систем с криогенными жидкостями (задача о пузыре с испаряющейся каплей) является сильное изменение плотности пара по толщине паровой прослойки из-за близости температуры капли к абсолютному нулю, что приводит к сильной нелинейности уравнения теплопроводности газа.

Исследована применимость полученного в настоящей работе квазистационарного решения тепловой задачи в паре. Показано существование двух стадий роста провой оболочки - динамической (пульсирующее поведение давления и быстрый рост парового слоя) и термической (описывается квазистационарным решением).

Проведен анализ моделей других авторов. Результаты опубликованы в работах автора[',2,3,4,5,6,7,8].

Глава 2 посвящена исследованию распространения и отражения от твёрдой стенки нестационарных волн и импульсов в смеси жидкости с "двухфазными" пузырями, содержащими испаряющиеся капли. Анализ проведен в рамках одномерной плоской модели. За основу взята модель пузырьковой жидкости; "двухфазные" пузыри моделируются в рамках квазистационарного приближения, полученного в первой главе. Исследовано влияние объёмной концентрации включений, размеров пузырей и капель, интенсивности волн и т.д. Проведен качественный анализ результатов расчётов, отмечено отличие по сравнению с поведением волн в пузырьковых жидкостях. �