Защита диссертации Курмановой Динары Есентаевны на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности «8D06105 - Математическое и компьютерное моделирование»
В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Курмановой Динары Есентаевны на тему «Численное моделирование гидродинамики и теплообмена при течении нефтепродуктов в каналах различной формы» по образовательной программе «8D06105 – Математическое и компьютерное моделирование».
Диссертация выполнена на кафедре «Математического и компьютерного моделирования» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - казахский
Официальные рецензенты:
Временные члены Диссертационного совета:
Научные консультанты:
Джайчибеков Нурболат Жумабекович – доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Механика» ЕНУ им. Л.Н. Гумилева (г.Астана).
Карпенко Антон Геннадьевич – кандидат физико-математических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного университета (г.Санкт-Петербург, Россия).
Защита состоится: 20 декабря 2024 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D061 – Информационно-коммуникационные технологии» по специальности «8D06105 – Математическое и компьютерное моделирование» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: http://surl.li/txspoq
Адрес: Астана қаласы, Қажымұқан көшесі, 13, №3 оқу- ғимаратының №205 аудиториясы
Аннотация (рус.): В рамках диссертационной работы на основе многомасштабного подхода разрабатываются математические модели гидродинамических и тепловых процессов и реализуются вычислительные алгоритмы, предназначенные для численного моделирования нестационарных пространственных течений вязкой несжимаемой жидкости, описываемых уравнениями Навье-Стокса и возникающих в современных конструкциях ТОА (теплообменные аппараты), применяемых в нефтегазовой отрасли. В рамках разработанных моделей учитывается возможный переход ламинарного режима течения в турбулентный и реологические модели нефтепродуктов. Разрабатываемые средства численного моделирования и управления гидродинамическими и теплообменными процессами являются основой оптимизации ТОА, применяемых в нефтегазовой отрасли. При этом одним из ключевых элементов является обеспечение совместного разрешения структуры течения в рамках моделей процессов различной физической природы. Актуальность исследования обусловлена необходимостью решения ряда задач, связанных с мерами по интенсификации теплообмена между теплоносителями. Математическое моделирование и расчет динамики и теплообмена теплообменников различных типов является актуальным направлением по проектированию теплообменного аппарата для очень вязких сред с сильно меняющейся вязкостью (мазут, нефть), применяемых в нефтехимической отрасли и эффективность геометрических размеров теплообменников. Целью диссертационной работы является разработка, реализация и применение математических моделей, предназначенных для управления и оптимизации теплообменных аппаратов (ТОА); cнижение вязкости нефти при помощи ее эффективного нагрева; определение эффективной длины ТОА. Основные задачи исследования: подбор соотношений (формул) зависимости вязкости жидкости от температуры, необходимых для описания движения конкретного нефтепродукта по трубопроводу; численное моделирование гидродинамики и теплообмена теплоносителей в ТОА; проведение численного расчета в пакете прикладных программ Matlab, для определения распределения среднемассовых температур и числа Рейнольдса по длине ТОА для теплообменника типа «труба в трубе» с гладкой поверхностью; верификация результатов расчета с данными, полученными в программной среде Ansys Fluent для случая кусочно-постоянной вязкости; численные исследования гидродинамики и теплообмена для теплообменников различного типа, в том числе геликоидных; учет ламинарно-турбулентного перехода в ТОА геликоидной формы и учет реальных реологических свойств нефтепродуктов. Объект исследования – теплообменные аппараты с каналами различной формы. Теоретическая значимость состоит в уточнении математической модели гидродинамики и теплообмена применительно к динамике теплоносителей в теплообменных аппаратах, а также мониторинге процесса теплопередачи в ТОА различного типа. Практическая значимость состоит в применении методов математического моделирования для разработки, изготовления и эксплуатации теплообменных аппаратов: результаты, полученные с помощью математического моделирования и численных экспериментов, являются источником информации, используемой разработчиком при проектировании нового оборудования, технологий, оценке качества и эффективности созданных установок. Новизна исследования состоит: -в учете переменной вязкости нефти при расчете теплообменного аппарата, а именно сильной зависимости вязкости нефти от его температуры;- определен ламинарно-турбулентный переход в потоке при расчете теплообменника;- определена эффективная длина теплообменника;- выявлено, что использование геликоидного теплообменника приводит к существенному повышению температуры нефти, по сравнению с гладкотрубчатыми ТОА . Положения, выносимые на защиту: 1. Методика расчета теплообменника при сильной зависимости вязкости нефтепродуктов от температуры; 2. Результаты численного расчета гидродинамики и теплообменных процессов в ТОА с гладкими поверхностями трубок, полученные методами вычислительной гидродинамики с использованием модели турбулентности, учитывающей ламинарно-турбулентный переход. 3. Результаты численного расчета гидродинамики и теплообменных процессов в ТОА с поверхностями трубок, имеющих навивки (геликоидная форма ТОА).4. Эффективная длина ТОА. Личный вклад автора состоит в создании программных кодов в пакете Matlab, выполнение расчетов в программном комплексе Ansys Fluent и графическое представление результатов расчетов. Разработка численного моделирования гидродинамики и теплообмена, определение параметров расчета. Подготовка научных статей и тезисов. Апробация работы. Основные результаты работы в диссертации докладывались и обсуждались на: 1) XVII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2022» (ЕНУ им.Л.Н.Гумилева, Астана, 2022, - 12 апреля). 2) Международной научной конференции, посвященной 80-летию профессора Т.Г.Мустафина. Актуальные задачи математики, механики и информатики. (КарГУ им.Е.А.Букетова, Караганда, 2022, - 8сентября). 3) XVIII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2023» (ЕНУ им.Л.Н.Гумилева, Астана, 2023, - 12 апреля). 4) VII World Congress of Turkic World Mathematicians (TWIMS Congress-2023) (Международный казахско-турецкий университет имени Х.А.Ясави, Туркестан, 2023, 21-23 сентября). 5) XIX Международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM – 2024» (ЕНУ им.Л.Н.Гумилева, Астана, 2024, - 12 апреля). 6) Международная научная конференция «Современные проблемы математики и компьютерных наук», посвященная 10-летию кафедры Математического и компьютерного моделирования (ЕНУ им.Л. Н.Гумилева, Астана, 2024, 2-3 мая). 7) 9th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, CHT-24. (Istanbul, Turkey, 2024,-26-30 May) Публикации. Опубликовано в соавторстве с научными консультантами 13 работ, из них - 2 статьи включены в индекс научного цитирования в базе данных Scopus, с процентилями 55 и 15, 4 статьи - в журналах из списка рекомендованных КОКНВО РК, 7 публикации в Сборниках материалов международных конференций. На базе Scopus: 1.Modelling and Simulation of Heat Exchanger with Strong Dependence of Oil Viscosity on Temperature//Fluids. –2023. –8(95). –P.1-18. https://doi.org/10.3390/fluids8030095 (процентиль 55). 2. Математическое моделирование теплообменного аппарата с учетом сильной зависимости вязкости нефти от температуры//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики (ИТМО). –2023. –Т.23,№4. –C.820-827. (DOI 10.17586/2226-1494-2023-23-4-820-827) (процентиль 15). В изданиях КОКНВО РК: 1. Численный расчет гидродинамики теплоносителей с учетом зависимости вязкости от температуры//Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева. Серия Математика. Компьютерные науки. Механика. –2022. –Том 141,№4. –С.28-41. DOI: https://doi.org/10.32523/2616-7182/bulmathenu.2022/4.2. 2. Numerical modeling and calculation of heat transfer between heat carriers in heat exchangers//Вестник Карагандинского университета.Серия «Физика». –2023. – № 1(109). –С.59-70. DOI 10.31489/2023PH1/59-70. 3.Численное моделирование параметров теплоносителей в теплообменниках геликоидной формы//Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева. Серия Математика. Компьютерные науки. Механика. –2024. –Том 146,№1. –С.17-25. DOI: https://doi.org/10.32523/2616-7182/bulmathenu.2024/1.2. 4. Mathematical model and numerical calculation of the movement of oil products in helicoidal heat exchangers//Вестник Карагандинского университета. Серия «Физика». – 2024. № 2(114). –С.72-79. В материалах конференции: 1.Распределение температуры теплоносителей вдоль теплообменного аппарата//Сборник материалов XVII международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM-2022». – Астана,2022: стр.1603-1607. 2. Моделирование и расчет динамики жидкостей в теплообменных аппаратах//Актуальные задачи математики, механики и информатики. Материалы Международной научной конференции, посвященной 80-летию профессора Т.Г.Мустафина. – Караганда,2022: стр.238-240. 3. Численный расчет температуры нефти на выходе из теплообменника геликоидной формы//Сборник материалов XVIII международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM-2023». – Астана,2023: стр.1603-1607. 4. Numerical calculation of the parameters of heat carriers in helicoid heat exchangers//VII World Congress of Turkic World Mathematicians (TWIMS Congress-2023). – Туркестан,2023:стр.480. 5. Жылу алмастырғыштың тиімді ұзындығын түтіктен шығатын жылу тасымалдағыштың температурасы бойынша анықтау// Сборник материалов XIX международной научной конференции студентов и молодых ученых «ǴYLYM JÁNE BILIM-2024».– Астана,2024: стр.1917-1920. 6.Определение эффективной длины теплообменника по температуре теплоносителя на выходе из трубки//Математикалық және компьютерлік модельдеу кафедрасының 10 жылдығына арналған «Математика және компьютерлік ғылымдардың заманауи мәселелері» атты Халықаралық ғылыми конференция. –Астана,2024:стр.196-199. 7.Control of heat transfer characteristics in helicoidal heat exchangers with strong dependence of oil viscosity on temperature. 9th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, CHT-24.- Istanbul, 2024:стр.94. Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и Приложения. Объем диссертации составляет 73 страниц, в том числе 39 рисунков и 4 таблиц. Во введении приводится обоснование актуальности работы, цели и задачи исследований, основные теоретические и практические значимости, новизна исследований и кратко изложено содержание диссертации по главам. Первая глава является обзорной частью, приводится классификация теплообменных аппаратов. Приводится обзор и анализ работ зарубежных ученых по расчетам теплообменных аппаратов различного типа. Рассматривается численное моделирование гидродинамики и теплообмена теплоносителей в ТОА. Исследуется зависимость вязкости нефтепродуктов от температуры, необходимых для описания движения конкретного нефтепродукта по трубопроводу. Рассматривается методика расчета теплообменника при сильной зависимости вязкости нефтепродуктов от температуры. Во второй главе приводятся методы вычислительной гидродинамики (CFD) в программном комплексе Ansys Fluent. Рассмотрена постановка задачи для расчета теплообменника «труба в трубе» прямоточного типа, а также результаты численного расчета теплообменника. В третьей главе приводится численное моделированию теплообменных процессов в теплообменнике геликоидной формы. В работе приводится результаты расчетов температурного поля нефти в зависимости от различных гидродинамических параметров. В заключении были получены искомые значения эффективной длины трубы и температуры горячего теплоносителя на выходе из трубы. Выявлено, что при переменной вязкости нефти проявляется переход от ламинарного режима течения в турбулентный, в то время как при аналитическом методе расчета для постоянной вязкости этот эффект не учитывается. Полученные результаты показывают, что модель учитывающими зависимость вязкости нефти от температуры приводит к данным, заниженным примерно на 19.3% по длине теплообменного аппарата по сравнению с постоянной вязкостью расчетами. Также исследования показали, что значение среднемассовой температуры нефти на выходе из трубки в геликоидном теплообменнике выше по сравнению с теплообменником с гладкими трубками, где максимальное относительное отклонение составляет примерно 9,5%. В приложениях приводится подробный численный расчет теплообменника (при постоянной и переменной вязкости), разработанный в программе Matlab R2018b, и диплом и сертификат, изложенные на международных конференциях. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук,профессору Н.Ж.Джайчибекову и зарубежному консультанту кандидату физико-математических наук, доценту А.Г.Карпенко.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=XmmBdPrpb6k
