ХИДРОДИНАМИЧЕН АНАЛИЗ НА ПЛАВАЩО СЪОРЪЖЕНИЕ ЗА ИЗВЛИЧАНЕ НА ДЪЛБОКОВОДНИ

СУЛФИТНИ РАЗТВОРИ ОТ ЧЕРНО МОРЕ

Григор Николов, Румен Кишев

БАН- Институт по металознание, съоръжения и технологии „Акад. А. Балевски”с Център по хидро- и аеродинамика

1574 София, бул. Шипченски проход № 67

РЕЗЮМЕ В доклада се разглежда конфигурирането на специализирано плаващо инженерно съоръжение за извличане на сулфитни разтвори с голяма концентрация от дълбочините на Черно море за целите на добива на възобновяема енергия чрез химична реакция, изследвано е взаимодействието му с околната среда и възможностите за позициониране. Разработеният математически модел дава възможност за параметрични изследвания и избор на оптимална конфигурация. Ключови думи: възобновяема морска енергия, плаващи морски съоръжения

HYDRODYNAMIC ANALYSIS OF A FLOATING STRUCTURE FOR DEEP

WATER HIDROGEN SULFITE SOLUTIONS EXTRACTION Grigor Nikolov, Rumen Kishev

SYNOPSIS The paper deals with configuring of specialized floating engineered structure for extraction of sulfite solutions with high concentrations from the depths of the Black Sea for the harvesting of renewable energy through a chemical reaction. Its interaction with the environment is studied and opportunities for positioning considered. The developed mathematical model allows for parametric studies and selection of the optimal configuration. Key words: renewable marine energy, floating marine structures

ВЪВЕДЕНИЕ По цялата територия на Черно море, на дълбочини над 200 м, в резултат на действието на бактерии, преработващи органичните вещества в серни (сулфитни) съединения, са се създали зони на водни разтвори с повишено съдържание на сулфити, концентрацията на които се увеличава с дълбочината. Смята се, че това е най-голямото природно образувание от такъв тип. Смята се, че то представлява заплаха за морските организми и има опасения от катастрофични катаклизми. Наскоро, екип учени от Института по инженерна химия на БАН разработи метод за използване на тези разтвори за добиване на електричество, използвайки ги в качеството на проточен електролит. Макар че химическата технология е разработена и тествана, остава проблема за техническата реализация, доколкото тук става дума за извличане на разтворите от голяма дълбочина, където концентрацията е достатъчно висока за осъществяване на химическата реакция, и това трябва да се извършва в открито море. 1. КОНФИГУРАЦИЯ И ИЗИСКВАНИЯ Технологията на производство изисква извличане на сулфитните разтвори с голям дебит и от голяма дълбочина, с последващо отдаване на отработената течност също в дълбочина, за запазване на екологичното състояние на повърхностните слоеве.

За целите на това предварително проучване приемаме, че хидравличният тракт ще се състои от работно (помпено) отделение, поместено в повърхностен поплавък, към което са подадени две тръби – входяща, с дължина от порядъка на 1000 м и диаметър от порядъка на 6 м, и изходяща, със същия диаметър, но с дължина около 300 м. Изискванията към съоръжението са то да има малка положителна плавателност и малка площ на водолинията, така че да извършва колкото е възможно по-малки колебания във всички направления. Предлагананта от нас конфигурация се състои от две части – собствено хидравличната (помпена) станция и свързана с нея обслужваща полупотопена платформа (фиг. 1):

Фиг. 1. Обща конфигурация на съоръжението

Двете часто са свързани помежду си с помощта на швартови въжета в четирите края. Поради голямото затопяване на тръбите и малката площ на водолинията, можем да разглеждаме поплавъка като СПАР конструкция с пренебрежими отклонения от равновесното положение под действие на вълновите сили с вълнова честота. Това ни води към реверсивно едноточково закотвяне на работната платформа, т.е. котвена система обърната „отвън навътре”. Основната задача, която трябва да решим, е оценка на поведението на платформата при такова закотвяне, взаимодействието й с поплавъка и силите в швартовите въжета. 2. РЕШЕНИЕ Задачата е решена с използване на софтуерния модул AQWA в състава на ANSYS. За целта е разработен 3-D модел, показан на фиг. 2. Моделът е съставен от 25685 елемента. Решението се основава на дифракционната теория, предвид формата на корпуса на платформата и поплавъка, съставена от вертикални колонообразни конструкции.

Фиг. 2 Тримерен модел на съоръжението в AQWA Решението е извършено в голям диапазон на курсови ъгли, честоти и височини на вълните. Пресмятани са както колебанията на работната платформа спрямо считания за неподвижен поплавък, така и силите в швартовите въжета:

Фиг. 3 Предавателни функции при 90° курсов ъгъл

Фиг. 4 Предавателни функции при 135° курсов ъгъл

Фиг. 5 Предавателни функции при 90° курсов ъгъл

За илюстрация по-долу са приведени картини на вълновото поле при различни курсови ъгли на вълнението спрямо съоръжението:

Фиг. 6 Картина на вълновото поле при насрещно вълнение (180°)

Фиг. 7 Картина на вълновото поле при странично вълнение (90°)

Фиг. 8 Картина на вълновото поле при косо вълнение (135°)

На фиг. 9 е илюстриран резултатът от пресмятане на опъновата сила в швартовото въже:

Фиг. 9 Предавателна функция на опъновата сила (горе) и изменение на опъновата сила във времето (долу)

3. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ТЕЧЕНИЕТО С ТУРБУЛЕНТЕН РЕЖИМ В ТРЪБА Изследваме турбулентен поток в тръба при скорост V = 0.5 m/s, плътност на флуида ρ = 998 kg/m и вискозитет µ = 0.001003. Задачата се решава чрез числени методи с помоща на ANSYS FLUENT. Според получените резултати се определят коефициента на повърхностно триене, аксиалният профил на скоростта на изхода както и скороста в централната линия. Определя се и мощноста на флуидния движител за достигане на необходимия дебит.

Фиг. 10 Модел на вертикалната смукателна тръба Числото на Реинолдс според средната скорост на входа е: При дебит 1 m3/sec

При дебит 2 m3/sec

При дебит 5 m3/sec

3.1. Геометрия и изчислителна мрежа За изработка на геометрията и мрежата е използван ICEM CFD. Изчислителната мрежа е ICEM CFD Structured Grid с 10967481 елемента. За да се спази изискването за разпределение на елементите от мрежатабли в зависимост от турбулентния режим е използван логаритмичен закон.

Фиг. 11 Изчислителна мрежа

Фиг. 12 Изчислителна мрежа

3.2. Избор на модел на турбуленция Турбулентния поток предизвиква малки по мащаб флуктуации, като не е възможно те да бъдат симулирани чрез CFD калкулациите без да се допълнят водещите уравнения с величини с които се моделират пулсациите. В задачата се използва модела на турбуленция

, който съдържа две диференциални уравнения

Турбулентните модели се влияят значително от разпределението на изчислителната мрежа в близост до стената. Моделът на турбуленция е валиден основно на относително голямо разстояние от стената поради това е нужно да се обърне повече внимание на изработката на изчислителната мрежа за да се получат валидни резултати. За безразмернят коефициент определящ разпределението на изчислителната мрежа в

близост до стената

Фиг. 13 Коефициент Y+

Фиг. 13 Разпределение на скоростите по дължина на тръбата

Фиг. 14 Разпределение на скоростите на входа на тръбата

3.3 Проверка и валидация на резултатите При работа със CFD е от голяма важност да се отдели достатъчно време за проверка и валидация на резултатите. 3.3.1 Проверка на баланса нa импулса. Уравнение на импулса:

Правило на лявата ръка:

Правило на дясната ръка:

3.3.2 Пресмятанe на хидравличните загуби и сравняване с получените резултати от FLUENT Уравнение на Бернули в интегрална форма

където:

- добавена енергия от помпите; - загуби на енергия от хидравличните двигатели; – основни загуби следствие на триене, фитинги, клапани и др.

При турбулентен поток загубите от триене зависят от числото на Рейнолдс и грапавоста на повърхноста на обтичане. Някои примери за грапавост:

Материал Грапавост Пластмаса 3,0 . 10-7

Стомана 4,6 . 10-5

Галванизирано желязо 1,5 . 10-4

Бетон 1,2 . 10-4

Грапавоста се изразява чрез т.н. относителна грапавост = ε / D, като в разглеждания случай относителната грапавост е равна на 1,53 . 10-5

Фиг. 15 Диаграма на Moody

За разглежданите числа на Рейнолдс като се вземе предвид относителната грапавост според диаграмата на Moody съответно:

Re фактор на триене

Според основната форма на уравнението на Darsy за загубите на енергия от триене

Re 0,003 0,014 0,12

Литература 1.Venko Beschkov, Vladislav Hristov. Hydro Sulfide Energy from the Black Sea Sulfide Power Plants (Spp) - International Scientific-Applied Conference “New Technologies in The Offshore Industry” 2.Ansys AQWA Theory 3.Ansys FLUENT Theory