Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе
Розглянуто ізотермічне та неізотермічне турбулентний рух метаноповітряної суміші в дільничному дегазаційному трубопроводі.
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53995 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53995 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-539952020-10-13T23:38:21Z Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе Новиков, Л.А. Розглянуто ізотермічне та неізотермічне турбулентний рух метаноповітряної суміші в дільничному дегазаційному трубопроводі. Isothermal and non isothermal considered the motion methane-air mixture in the decontamination line. 2012 Article Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53995 622.817.47:533.6 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розглянуто ізотермічне та неізотермічне турбулентний рух метаноповітряної суміші в
дільничному дегазаційному трубопроводі. |
| format |
Article |
| author |
Новиков, Л.А. |
| spellingShingle |
Новиков, Л.А. Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе Геотехническая механика |
| author_facet |
Новиков, Л.А. |
| author_sort |
Новиков, Л.А. |
| title |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| title_short |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| title_full |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| title_fullStr |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| title_full_unstemmed |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| title_sort |
особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53995 |
| citation_txt |
Особенности движения метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 101. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT novikovla osobennostidviženiâmetanovozdušnojsmesivdegazacionnomtruboprovode |
| first_indexed |
2025-07-05T05:22:52Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:22:52Z |
| _version_ |
1836783211261198336 |
| fulltext |
9
УДК 622.817.47:533.6
Инж. Л.А. Новиков
(ИГТМ НАН Украины)
ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В
ДЕГАЗАЦИОННОМ ТРУБОПРОВОДЕ
Розглянуто ізотермічне та неізотермічне турбулентний рух метаноповітряної суміші в
дільничному дегазаційному трубопроводі.
FEATURES OF MOTION METHANE-AIR MIXTURE IN THE DEGASSING
PIPELINE
Isothermal and non isothermal considered the motion methane-air mixture in the decontamina-
tion line.
Увеличения глубины разработки угольных месторождений сопровождается
соответствующим возрастанием концентрации метана и вероятности возникно-
вения взрывоопасных ситуаций. На глубинах от 900 до 1500 м использование
средств вентиляции становится недостаточным для ликвидации опасных скоп-
лениями метана, что обуславливает использование дегазации угольных пластов
и выработанных пространств.
Эффективность работы дегазационной системы зависит от сложности газо-
проводной сети, мощности вакуум-насосов, числа подсоединенных к трубопро-
воду дегазационных скважин, величины расхода газа и влаги из дегазационных
скважин, а также технического состояния трубопровода.
При математическом моделировании движения газа в участковых дегазаци-
онных трубопроводах [1, 2] учитывается влияние подсосов воздуха и загряз-
ненности трубопроводов на их расходные характеристики и гидравлическое со-
противление. Несмотря на это полученные результаты не всегда отражает ре-
альную картину протекания газодинамических процессов в газопроводной сети,
что связано с ее топологическими особенностями, а также влиянием внутрен-
них и внешних факторов на характер изменения газодинамических параметров
метановоздушной смеси (МВС).
К основным внутренним фактором относятся:
- местные и распределенные отложения;
- притечки воздуха в газопроводную сеть;
- влажность МВС и объемную концентрацию пыли в газовом потоке;
- межфазные взаимодействия и конвективный теплообмен.
В качестве внешних факторов можно рассматривать температуру и давление
воздуха в выработке.
Горно-геологические и горнотехнические условия на каждой из шахт носят
сугубо индивидуальный характер. В связи с этим большое значение имеет раз-
работка комплекса мероприятий, способствующих повышению эффективности
работы систем дегазации.
Выявление законов изменения основных технологических параметров
транспортировки МВС в условиях неустановившегося движения является важ-
ным предметом исследований и имеет большое значение при проектирования,
эксплуатации и реконструкции вакуумных трубопроводов.
10
Рассмотрим движение газа по длине элемента горизонтального участкового
трубопровода (рис. 1)
X, r – продольная и радиальная координаты, м; 1 – участковый трубопровод;
2 – фланцевые соединения труб; l – длина элемента трубопровода, м; D – гидравлический
диаметр трубопровода, м; Q – средний расход МВС, м
3
/с; p – средняя величина
абсолютного давления МВС, Па
Рис. 1 – Элемент горизонтального участкового трубопровода.
Пренебрегая теплообменом МВС со стенками трубопровода, будем рас-
сматривать изотермическое движение МВС. Тогда с учетом инерции потока,
уравнения изотермического движения газа в рассматриваемом элементе (рис. 1)
будут иметь вид [3, 4]:
2
2Q p
Cp AQ
T x
; (1)
0
p Q
B
T x
, (2)
где x = 0 ÷ l – текущее расстояние, отсчитываемое от начального сечения
элемента трубопровода вдоль его оси, м; l – длина элемента трубопровода, м;
Т – средняя температура МВС, К; A, B, C – коэффициенты, зависящие от пара-
метров трубопровода, определяемые как:
2
0
2 5
0
16
;
PTl
A
D gR T
(3)
0
2
0
4
;
PT
B
D l T
(4)
0
2
0
8
,
Pl
С
D gR T
(5)
11
где λ – коэффициент сопротивления трения; g – ускорение свободного паде-
ния, м/с
2
; R – газовая постоянная МВС, Дж/(кг·К); Р0 – давление МВС, приве-
денное к нормальным условиям, Па; T0 – температура МВС, приведенная к
нормальным условиям, К;
В реальных условиях имеет место теплообмен МВС со стенками трубопро-
вода, а движение газа является неизотермическим. В связи с этим средняя тем-
пература движущейся среды представляет собой функциональную зависимость
T = f (x).
Применительно к центральной части неизотермического турбулентного по-
тока в элементе горизонтального участкового трубопровода описывается си-
стемой дифференциальных уравнений [5]:
0,5
2
0
2 2
0;
2 1
;
0,25
;
( , ),
D
x rx
v rx T
u
x
u p
u rdr F r
D x x r r
T u u p T p
c u p x u
x r x T x
p f T
(6)
где u – скорость газа в данной точке потока, м/с; ρ – средняя плотность
МВС, кг/м
3
; r = 0 ÷ 0,5D – текущий радиус трубопровода, м; Fx – проекция век-
тора результирующей массовых сил на ось 0X, Н/кг; σT, τrx – нормальное и каса-
тельное напряжение, Па.
Граничные условия (исключая пограничный слой) имеют вид:
u(r,x) = ust (r,x); (7)
ρ(x)|x = 0 = ρst; (8)
T(x)|x = 0 = Tst, (9)
где ust (r,x) – скорость МВС вблизи стенки, м/с; ρst – плотность МВС вблизи
стенки, кг/м
3
; Tst – температура МВС вблизи стенки, К.
Как известно при транспортировке природного газа могут возникнуть усло-
вия для образования газовых гидратов [6, 7]. Эти образования представляют со-
бой кристаллические соединения воды и газа, уменьшающие проходное сече-
ние трубопровода.
Образование и рост газовых гидратов определяется условиями конденсации
влаги, а также теплообменом между движущимся газом и гидратом.
При математическом моделировании образования гидратов при движении
газового потока в трубопроводах используются дифференциальные уравнения
12
неизотермического движения газа; уравнение термодинамического равновесия
газ-гидрат; соотношения, характеризующие изменение влажности природного
газа от давления и температуры и т.д.
Возникновение гидратных пробок приводит к увеличению потерь давления
в трубопроводе и соответственно падению давления на выходе из него.
При образовании твердых скоплений в прогибе дегазационного става их
ширину и длину можно определить по формулам [8]:
22
2
4 2
D D
b h ; (10)
2 2
2 0,5 0,5L D D h , (11)
где h – максимальная толщина скопления, м; δ – радиус кривизны оси тру-
бопровода в месте прогиба, м
При исследовании турбулентных течений газовзвеси в каналах и трубах ис-
пользуют феноменологические и статистические модели, учитывающие меж-
фазные взаимодействия и позволяющие определять поля скоростей и концен-
траций каждой из фаз. Практические результаты по исследованию турбулент-
ных течений многофазных сред получены с использованием модели Х.А. Рах-
матулина [9], которая основана на идее взаимопроникающих континуумов.
этой модели несущей фазой является газ, а дисперсной – твердые частицы.
Применительно к дегазационному трубопроводу, где наблюдается перенос
частиц пыли, а газовый поток представляет собой влажную МВС, для опреде-
ления влияния взвешенных компонентов на расходные характеристики участ-
ковых трубопроводов необходимо располагать информацией о концентрации и
размерах частиц пыли, а также влажности МВС.
Размер частиц пыли в газовом потоке при их плотности ρs = 2650 кг/м
3
мо-
жет колебаться от 1 до 10 мкм. При этом влияние силы тяжести на величину
концентрации этих частиц в сечениях канала будет не существенным. В случае
если в газовом потоке будут присутствовать взвешенные частицы меньшей
плотности, то указанный диапазон диаметров частиц будет смещен в большую
сторону.
Для приближенной оценки максимального диаметра взвешенных в потоке
МВС частиц пыли можно воспользоваться неравенством [9]
max 1 Re 0,2s
h
d
D
. (12)
При исследовании распределения концентраций взвешенных частиц пыли
на участках газопроводной сети необходимо учитывать скорость, давление,
направление движения потока, плотность частиц, влажность газа.
13
Система уравнений, описывающих движение двухфазной сплошной среды,
в случае локально однородной и изотропной турбулентности имеет вид [9]:
0;
1 1
;
3
;
1 1
,
3
т
т тс
тс
тс тс тс т
т т
т
т тс тс
i
i i i iс i i iс
iс
iс iс iс i
i i
i
i iс iс
div u
t
u
u u F gradP
t
К
К u grad divu
с
div D gradc c u В c F
t
u
u u F gradP
t
К
К u grad divu
(13)
где t – время, с; uic, umc – векторы средних скоростей соответственно частиц
i – й компоненты твердой фазы и турбулентных вихрей несущей среды в дан-
ной точке потока, м/с; Fic, F,mc – массовые силы, действующие соответственно
на частицы i – й компоненты твердой фазы и турбулентные вихри несущей сре-
ды, Н/кг; Pi, Pm – средние статические давления соответственно частиц i – й
компоненты твердой фазы и турбулентных вихрей несущей среды в данной
точке потока, Н/м
2
; ρi, ρm – средние плотности соответственно частиц i – й ком-
поненты твердой фазы и турбулентных вихрей несущей среды, кг/м
3
; сi – объ-
емная концентрация частиц i – й компоненты твердой фазы, д.е; Di – коэффици-
ент турбулентной диффузии частиц i – й компоненты твердой фазы, м
2
/с; Bi –
коэффициент подвижности частиц i – й компоненты твердой фазы, кг/с; Кi, тК
– коэффициенты макровязкости соответственно частиц i – й компоненты твер-
дой фазы и турбулентных вихрей несущей среды, м
2
/с; - символический век-
торный оператор; Δ – оператор Лапласа.
Система уравнений (13) описывает турбулентное движение двухфазной сре-
ды, в которой в качестве несущей фазы выступает вязкая жидкость. Однако она
может быть преобразована для случая турбулентного движения газа с частица-
ми пыли.
На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:
- для определения влияния взвешенных компонентов на расходные характе-
ристики участковых трубопроводов необходимо располагать информацией о
концентрации частиц пыли, их фракционном составе, а также о величине влаж-
ности МВС;
- при моделировании движения влажной МВС с частицами пыли в дегазаци-
онном трубопроводе необходимо использовать уравнения динамики многофаз-
14
ных сред.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Левченко Е.М. Физическая модель дегазационного участкового трубопровода / Е.М. Левченко // Внезап-
ные выбросы угля и газа, рудничная аэрология. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1988. – С.127-133.
2. Кременчуцкий Н.Ф. Расчет распределения метановоздушной смеси в сети дегазационной системы / Н.Ф.
Кременчуцкий, И.И. Пугач // Науковий вісник НГА України. – 2002. – № 5. – С. 86-88.
3. Аствацатурьян Р.Е. Моделирование движения газа в газопроводах с учетом сил энергии потока / Р.Е.
Аствацатурьян, Е.В. Кочарян // Нефтегазовое дело. – № 1. – С. 1-8.
4. Кузнецов Е.В. Методы сокращения потерь светлых нефтепродуктов при проведении технологических опера-
ций на нефтебазах / Е.В. Кузнецов // ГИАБ. – 2008. – №2. – С. 316-322.
5. Скробач А.В. Математическая модель развитого турбулентного стационарного неизотермического дви-
жения газа в трубопроводе круглого сечения / А.В. Скробач // Инженерная физика. – 2005. – № 4. – С .47-52.
6. Газовые гидраты / С.Ш. Бык, Ю.Ф. Макагон, В.И. Фомина. – М.: Химия, 1980. – 296 с.
7. Истомин В.А. Газовые гидраты в природных условиях / В.А. Истомин, В.С. Якушев. – М.: Недра, 1992. –
236 c.
8. Новиков Л.А. Определение потерь давления на загрязненных участках вакуумного дегазационного тру-
бопровода / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / Ин–т геотехнической механики
им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2011. – Вып. 92. – С. 258-263.
9. Новиков Л.А. Математическая модель движения турбулентного потока газовзвеси в дегазационном тру-
бопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / Ин–т геотехнической механики
им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2008. – Вып. 76. – С. 126-131.
УДК 622.33.002.68:552.513.08
Кандидати геол.-мінерал. наук К.А. Безручко,
Л.Л. Шкуро
(ІГТМ НАН України)
ФОРМУВАННЯ КОЛЕКТОРСЬКИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПІСКОВИКІВ
ПІД ВПЛИВОМ ТЕХНОГЕННОГО ЧИННИКА
Исследовано влияние горных работ в процессе добычи угля на физические свойства пес-
чаников, путѐм сравнения объѐмной плотности, плотности твѐрдой фазы и открытой порис-
тости по результатам опробования керна геологоразведочных скважин и горных выработок.
Установлено, что объѐмная плотность и коэффициент открытой пористости песчаников, в
зоне влияния горных работ существенно отличаются от соответствующих показателей в не-
тронутом массиве. Показано, что такое разуплотнение, за счѐт трещинообразвания, способ-
ствует увеличению открытой пористости песчаников в 1,2-1,4 раза.
FORMING OF SANDSTONES COLLECTORS PROPERTIES UNDER
THE TECHNOGENIC FACTOR INFLUENCE
Influence of mining operations have been investigated in the coal mining process on physical
properties of sandstones, by means of apparent density, density of hard phase and opened porosity
comparison on results of core assay of geological prospecting holes and mine workings. It was set
that apparent density and coefficient of the opened porosity of sandstones, in the affected zone of
mining operations substantially differ from the proper indexes in natural array. It is shown, that
such volume expension due to cracks formation, promotes increasing of sandstones open porosity in
1,2-1,4 time.
Характерною особливістю породних масивів, що вміщують гірничі виробки,
є структурна порушеність різноманітними тріщинами, які послаблюють їх міц-
ність та збільшують деформованість. Походження цих тріщин пов'язане як з ге-
ологічними умовами генезису та постдіагенетичного перетворення самої поро-
|