ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПУЗЫРЬКОВ В ПОЛИДИСПЕРСНОМ КЛАСТЕРЕ (2024)
Динамика одиночного пузырька в безграничной жидкости существенно отличается от динамики индивидуального пузырька в скоплениях из-за гидродинамического взаимодействия между пузырьками. Изучение механизма данного взаимодействия является одним из важных аспектов в исследовании фундаментальной природы акустической и гидродинамической кавитации. В настоящей работе для анализа малых колебаний пузырьков в сферическом кластере около устойчивого положения равновесия применена математическая теория линейной консервативной системы с несколькими степенями свободы с целью объяснения механизма взаимодействия между пузырьками разных размеров. С помощью данной теории в общем случае доказано, что число резонансных частот в полидисперсном кластере совпадает с числом фракций. Показано, что области главного резонанса (при низких частотах) пузырьки разных фракций колеблются в фазе, а в областях вторичных резонансов (при высоких частотах) фазы последовательно меняются на противоположные, начиная с фракции, содержащей пузырьки самого большого радиуса, и далее - в порядке его убывания. На примере двухфракционного кластера получено, что между пузырьками имеет место инерциальная связь, а силовая связь отсутствует; при малом числе пузырьков одной из фракций связь между ними и пузырьками другой фракции является слабой, при этом взаимодействие между ними может быть сильным. Анализ передачи энергии между пузырьками разных фракций показал, что изменение характера колебания пузырьков во фракции с малым радиусом, в то время как характер колебания пузырьков в другой фракции не меняется, является результатом динамического демпфирования.
Идентификаторы и классификаторы
Динамика одиночного пузырька в безграничной жидкости существенно отличается от динамики отдельного пузырька в скоплениях (называемых в литературе облаком пузырьков или пузырьковым кластером) из-за гидродинамического взаимодействия между пузырьками. Исследование механизма данного взаимодействия является одним из важных аспектов в изучении фундаментальной природы акустической и гидродинамической кавитации.
Все теоретические работы, основанные на предположении тепловой природы кавитации, можно разделить на две группы по применяемым в их исследованиях подходам (см., например, [1]):
• анализ макроскопического движения пузырькового кластера путем осреднения уравнений сохранения импульса и массы жидкости и газа, когда смесь жидкости и газовых пузырьков рассматривается как сплошная среда;
• анализ микроскопических движений индивидуальных пузырьков в кластере.
Список литературы
1. | Nasibullaeva E.S., Akhatov I.S. Bubble cluster dynamics in an acoustic field //j. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 133, No. 6. P. 3727-3738. DOI: 10.1121/1.4802906 EDN: RFJRZB | |
---|---|---|
2. | Hsieg D.Y., Plesset M.S. On the propagation of sounds in a liquid containing gas bubbles // Phys. Fluids. 1961. V. 4, No. 8. P. 970-975. DOI: 10.1063/1.1706447 | |
3. | Wijngaarden L. On the equations of motion for mixtures of liquid and gas bubbles //j. Fluid. Mech. 1968. V. 33, No. 3. P. 465-474. DOI: 10.1017/S002211206800145X | |
4. | Biesheuvel A., Wijngaarden L. Two-phase flow equation for a dilute dispersion of gas bubbles in liquid //j. Fluid Mech. 1984. V. 148. P. 301-318. DOI: 10.1017/S0022112084002366 EDN: XVISCU | |
5. | Ishii M. Thermo-fluid dynamic theory of two-phase flow. Paris: Eyrolles. 1975. 248 p. | |
6. | Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I. М.: Наука. 1987. 464 с. Nigmatulin R.I. Dynamics of Multiphase Media. New York: Hemisphere, 1991, vol. 1. P. 360. | |
7. | Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., Shreiber I.R. Wave Propagation in Gas-Liquid Media. New York: Begell House. 1993. Chap. 3. Pp. 53-90. DOI: 10.1017/S0022112094224515 | |
8. | Wijngaarden L. On the collective collapse of a large number of cavitation bubbles in water // Proc. 11th Internetional Congress of Applied Mechanics, Munich, 1964, ed. H. G¨ ortler, Springer Verlag. 1964. P. 854-865. DOI: 10.1007/978-3-662-29364-5_112 | |
9. | Hansson I., Kedrinskii V.K., Mørch K.A. On the dynamics of cavity clusters //j. Phys. D: Appl. Phys. 1982. V. 15, No. 9. P. 1725-1734. DOI: 10.1088/0022-3727/15/9/017 EDN: VFCSRF | |
10. | Hansson J., Mørch K.A. The dynamics of cavity clusters in ultasonic (vibratory) cavitation erosion //j. Appl. Phys. 1980. V. 51, No. 9. P. 4651-4658. DOI: 10.1063/1.328335 EDN: XVCJGA | |
11. | Kanthale P.M., Gogate P.R., Pandit A.B., Wilhelm A.M. Cavity cluster approach for quantification of cavitational intensity in sonochemical reactors // Ultrason. Sonochem. 2003. V. 10, No. 4-5. P. 181-189. DOI: 10.1016/S1350-4177(03)00088-9 EDN: LRLCJT | |
12. | Fuster D., Colonius T. Modelling bubble clusters in compressible liquids //j. Fluid Mech. 2011. V. 688. P. 352-389. DOI: 10.1017/jfm.2011.380 EDN: NYYPFL | |
13. | Omta R. Oscillations of a cloud of bubbles of small and not so small amplitude //j. Acoust. Soc. Am. 1987. V. 82, No. 3. P. 1018-1033. DOI: 10.1121/1.395376 | |
14. | D’Agostino L., Brennen C.E. Acoustical absorption and scattering cross sections of spherical bubble clouds //j. Acoust. Soc. Am. 1988. V. 84, No. 6. P. 2126-2134. DOI: 10.1121/1.397058 | |
15. | D’Agostino L., Brennen C.E. Linearized dynamics of spherical bubble clouds //j. Fluid Mech. 1989. V. 199. P. 155-176. DOI: 10.1017/S0022112089000339 | |
16. | Smereka P., Banerjee S. The dynamics of periodically driven bubble clouds // Phys. Fluids. 1988. V. 31, No. 12. P. 3519-3531. DOI: 10.1063/1.857559 | |
17. | Birnir B., Smereka P. Existence theory and invariant manifolds of bubble clouds // Commun. Pure Appl. Maths. 1990. V. 43, No. 3. P. 363-413. DOI: 10.1002/cpa.3160430304 EDN: VNCXNR | |
18. | Daemi M., Taeibi-Rahnt M., Massah H. Study of acoustic bubble cluster dynamics using a lattice Boltzmann model // Chinese Physics B. 2015. V. 24, No. 2. P. 024302. DOI: 10.1088/1674-1056/24/2/024302 EDN: UQLVNX | |
19. | Аганин А.А., Давлетшин А.И. Гидродинамическое взаимодействие слабонесферических газовых пузырьков в жидкости в трёхмерной постановке задачи // Труды Института механики им. Р.Р. Мавлютова Уфимского научного центра РАН. 2017. Т. 12, № 1. С. 51-58. EDN: ZXMJUP | |
Aganin A.A., Davletshin A.I. Hydrodynamic interaction of weakly nonspherical gas bubbles in a liquid in the three-dimensional problem statement. Proceedings of the Mavlyutov Institute of Mechanics. 2017. V. 12, No. 1. P. 51-58 (in Russian). DOI: 10.21662/uim2017.1.008 EDN: ZXMJUP | ||
20. | Аганин А.А., Давлетшин А.И. Деформации взаимодействующих газовых пузырьков в жидкости при акустическом воздействии // Ученые записки Казанского университета. Серия: физико-математические науки. 2018. Т. 160, № 4. C. 657-669. EDN: YYJCKN | |
Aganin A.A., Davletshin A.I. [Deformation of interacting gas bubbles in liquid under acoustic excitation]. Uchenyye zapiski Kazanskogo universiteta. Seriya Fiziko-matematicheskiye nauki. 2018. V. 160, No. 4. P. 657-669 (in Russian). EDN: YYJCKN | ||
21. | Аганин А.А., Давлетшин А.И., Халитова Т.Ф. Численное моделирование динамики пузырьков в центральной области стримера // Многофазные системы. 2018. Т. 13, № 3. С. 11-22. EDN: VPIHWO | |
Aganin A.A., Davletshin A.I., Khalitova T.F. Numerical simulation of bubble dynamics in central region of streamer. Multiphase Systems. 2018. V. 13, No. 3. P. 11-22 (in Russian). DOI: 10.21662/mfs2018.3.002 EDN: VPIHWO | ||
22. | Qinghim N. Acoustic cavitation characteristics of mixed bubble groups composed of different types of bubbles // Acta Phys. Sin. 2020. V. 69, No. 18. P. 184301. DOI: 10.7498/aps.69.20200381 EDN: AHTDJS | |
23. | Chahine G.L., Duraiswami R. Dynamical interaction in a Multi-Bubble Cloud //j. Fluids Eng. 1992. V. 114, No. 4. P. 680-686. DOI: 10.1115/1.2910085 | |
24. | Takahira H., Akamatsu T., Fujikawa S. Dynamics of a Cluster of Bubbles in a Liquid (Theoretical Analysis) // JSME Int. J. Ser. B. 1994. V. 37, No. 2. P. 297- 305. DOI: 10.1299/jsmeb.37.297 | |
25. | Skaropoulos N.C., Yagridou H.D., Chrissoulidis D.P.Interactive resonant scattering by a cluster of air bubbles in water //j. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113, No. 6. P. 3001-3011. DOI: 10.1121/1.1572141 | |
26. | Akhatov I., Konovalova S. Structure formation in acoustic cavitation // Multiphase Sci. Technol. 2005. V. 17, No. 4. P. 343-371. DOI: 10.1615/MultScienTechn.v17.i4.30 EDN: LJBRGF | |
27. | Doinikov A.A. Mathematical model for collective bubble dynamics in strong ultrasound fields //j. Acoust. Soc. Am. 2004. V. 116, No. 2. P. 821-827. DOI: 10.1121/1.1768255 EDN: LRLCOT | |
28. | Ilinskii Y.A., Hamilton M.F., Zabolotskaya E.A. Bubble interaction dynamics in Lagrangian and Hamiltonian mechanics //j. Acoust. Soc. Am. 2007. V. 121, No. 2. P. 786-795. DOI: 10.1121/1.2404798 EDN: MKMVFT | |
29. | Yasui K., Iida Y., Tuziuti T., Kozuka T., Towata A. Strongly interacting bubbles under an ultrasonic horn // Physical Review E. 2008. V. 77. P. 016609. DOI: 10.1103/PhysRevE.77.016609 EDN: LWGODX | |
30. | LV L., Zhang H., Cui B., Chen L., Luo X. The Numerical Investigation on Bubble Interaction Dynamics in Hydrodynamic Cavitation // MECHANIKA. 2021. V. 27, No. 2. P. 115-121. DOI: 10.5755/j02.mech.26187 EDN: ZUXDOH | |
31. | Насибуллаева Э.Ш., Ахатов И.Ш. Динамика пузырькового кластера в акустическом поле // Акуст. ж. 2005. Т. 51, № 6. С. 709-717. EDN: HSINHV | |
Nasibullaeva E.Sh., Akhatov I.Sh. Dynamics of a bubble cluster in an acoustic field. Acoustical Physics. 2005. V. 51, No. 6. P. 705-712. DOI: 10.1134/1.2130902 EDN: LJINIP | ||
32. | Nigmatulin R.I., Akhatov I.Sh., Vakhitova N.K., Nasibullaeva E.Sh. Dynamics of bubble clusters // in Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millenium (AIP conference proceedings), Melville, New York, USA. 2000. V. 524, No. 1. P. 455-460. DOI: 10.1063/1.1309263 | |
33. | Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. М.: Наука. 1972. 470 с. | |
Mandelstam L.I. Lectures on the Theory of Oscillations. Moscow: Nauka. 1972. P. 470 (in Russian). | ||
34. | Нигматулин Р.И., Ахатов И.Ш., Насибуллаева Э.Ш., Вахитова Н.К. Динамика пузырьковых кластеров // Вестник БашГУ. Уфа. 1999. № 2. C. 12-15. | |
Nigmatulin R.I., Akhatov I.Sh., Nasibullaeva E.Sh., Vakhitova N.K. [Dynamics of bubble clusters]. Vestnik bashkirskogo universiteta [Bulletin of the Bashkir State University]. 1999. No. 2. P. 12-15 (in Russian). | ||
35. | Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука. 1980. 272 с. | |
Panovko Ya.G.Introduction to the theory of mechanical vibrations. Moscow: Nauka. 1980. P. 272 (in Russian). |
Выпуск
Другие статьи выпуска
Задача исследования устойчивости течения термовязкой жидкости актуальна в связи с необходимостью разработки методов управления режимами течения в промышленных конденсаторах и теплообменных устройствах. Данные устройства играют важную роль во множестве технологических процессов (от производства пищевых продуктов до обработки материалов), эффективность которых напрямую зависит от того, какой режим течения в них установится. Осознание важности как ламинарных, так и турбулентных режимов течения приводит к необходимости балансировки между энергетической эффективностью, которая часто предпочтительна для ламинарного режима, и эффективностью тепломассопереноса, характерной для турбулентного режима. Это обуславливает значимость изучения и контроля устойчивости течения. При увеличении скорости течения жидкости ламинарное течение теряет устойчивость, и возникают возмущения, которые могут привести к формированию вторичного нелинейного режима, сохраняющего основные характеристики ламинарного течения, или к турбулизации потока, что, в свою очередь, может оказать существенное влияние на эффективность работы технических устройств. Хотя в настоящее время имеется множество работ по исследованиям устойчивости течения однородных жидкостей в каналах и их спектральных характеристик, часто упускается из виду важность учета перепадов температур. Однако именно зависимость вязкости жидкости от температуры играет существенную роль в определении закономерностей течения и требует дополнительного изучения. Несмотря на проводимые численные исследования устойчивости течения жидкостей, остается необходимость в сопоставлении экспериментальных данных с результатами численного моделирования для получения более полного понимания процессов, происходящих в системе. В связи с этим в рамках настоящей работы разработана и собрана экспериментальная установка кольцевого канала с целью проведения подробного экспериментального исследования устойчивости течения жидкости и последующего сопоставления полученных результатов с численным моделированием, что позволит получить более точные данные для дальнейшего улучшения проектирования и работы промышленных устройств. |
---|
В настоящее время количество скважин, работающих с большим значением обводненности, растет с каждым годом. Это приводит к снижению рентабельности эксплуатации нефтяных месторождений, поскольку увеличиваются время и затраты энергии на переработку скважинной продукции, а количество нефти на выходе уменьшается. Таким образом, оптимизация режима эксплуатации скважин с целью снижения обводненности путем перевода их в периодический режим является одной из ключевых задач по увеличению продуктивности разработки нефтяных месторождений. Нефтяные месторождения, находящиеся на поздней стадии разработки, характеризуются снижением объемов добычи нефти и ростом обводненности продукции скважин, а также ухудшением структуры запасов. Добыча остаточной нефти в осложненных условиях играет важную роль в поддержании общей производительности месторождения. Малодебитные скважины могут быть использованы для дополнительного извлечения нефти, которую ранее не удалось добыть при первоначальной разработке скважин. Кроме того, эксплуатация малодебитных скважин на поздней стадии разработки позволяет снизить затраты на бурение новых скважин. Настоящая статья посвящена изучению и актуализации данного вопроса. Продолжена работа по исследованию перевода скважин из постоянного в периодический режим с целью увеличения технологических показателей разработки, таких как снижение объемов попутно добываемой воды, снижение удельного расхода электроэнергии на одну тонну добытой нефти и увеличение межремонтного периода установки электроприводного центробежного насоса. Анализ работы скважин в постоянном и периодическом режимах проведен для условий Сургутского месторождения. Показано, что перевод скважины в периодический режим позволит сократить затраты на потребление электроэнергии.
На протяжении последних двух десятилетий самым часто реализуемым способом добычи нефти в Российской Федерации является механизированный способ с использованием установки электроцентробежного насоса (УЭЦН). В связи с удалённостью месторождений от базы ремонтных предприятий стоимость транспортировки отработавших свой ресурс, но ремонтопригодных УЭЦН значительно превышает их закупочную стоимость, что с течением времени приводит к образованию существенного количества выведенного из эксплуатации нефтедобывающего оборудования. Для решения этой проблемы предлагается разработать мобильный робототехнический модуль сортировки, дефектовки и хранения деталей насосов, благодаря использованию которого станет возможным мелкий ремонт оборудования непосредственно на пунктах добычи. В статье рассматриваются проблемы комплексной дефектовки металлических и неметаллических деталей с возможностью применения разрабатываемой методики для широкого перечня промышленных изделий, вместе с тем основное внимание уделяется работам с деталями УЭЦН. На основании декомпозиции задачи были выделены наиболее проблемные операции: классификация деталей, контроль поверхности (идентификация дефектов), размерный контроль. Результаты краткого сравнительного анализа по каждой из вышеприведенных подзадач базируются на обзоре научной литературы за последние 30 лет, большее число рассмотренных источников приходится на последние 5 лет. В ходе работы определены оптимальные методы решения поставленной задачи - методика машинного обучения для классификации поверхностных дефектов, использование координатно- измерительной машины с манипулятором для размерного контроля. Также предлагается новый подход для решения основной проблемы методов машинного обучения (отсутствие обучающей выборки) в виде использования синтетических фотореалистичных изображений для классификации с переносом признаков дефектов из семантически близких и публично доступных обучающих выборок.
Целью данной работы является анализ и прогноз показателей разработки Асельской залежи Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. Для выполнения этой задачи необходим большой объем данных, который был получен в ходе проекта технологической разработки. Расчет производится с помощью программы, написанной на языке программирования Python. Приведены переменные для уравнения материального баланса, некоторые из них рассчитываются по промежуточным формулам. В качестве оптимизируемых параметров были выбраны средние значения параметров за последние 15 лет разработки, поскольку малые объемы накопленной добычи в первые годы разработки могут привести к существенной ошибке в расчете уравнения материального баланса. Также было проведено сравнение расчетного прогноза разработки месторождения Асель с прогнозом по госплану, представленным в проекте разработки месторождения. Сравнение проводилось по основным параметрам: накопленной добыче нефти, годовой добыче нефти, коэффициенту извлечения нефти и обводненности. Для наглядного сравнения расчетных параметров представлены графики зависимостей, отражающие прогноз, выполненный методом материального баланса, а также прогноз, основанный на данных государственного плана. Разницу в поведении кривых, показанных на графиках, можно объяснить неточностью параметров, описывающих пласт, а также неточностью определения начальных извлекаемых запасов. На это влияет также разница в депрессиях пласта по нагнетательным и добывающим скважинам, предложенная в государственном плане и в прогнозе. Конечно, влияет и неточность коэффициентов приемистости и продуктивности скважин, которые были выбраны исходя из расчетных объемов закачки воды и добычи нефти. На основании проведенного расчета можно сделать вывод о целесообразности дальнейшей эксплуатации Ассельской площади Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения с внедрением системы поддержания пластового давления до 2079 года. По прогнозам обводненность равна 96 % будет достигнуто в 2079 году, а коэффициент нефтеотдачи составит 0,427.
Издательство
- Издательство
- УФИЦ РАН
- Регион
- Россия, Уфа
- Почтовый адрес
- 450054, Республика Башкортостан, Г.О. город Уфа, Пр-кт Октября, д. № 71
- Юр. адрес
- 450054, Республика Башкортостан, Г.О. город Уфа, Пр-кт Октября, д. № 71
- ФИО
- Мартыненко Василий Борисович (Руководитель)
- E-mail адрес
- presidium@ufaras.ru
- Контактный телефон
- +7 (347) 2356022
- Сайт
- http://www.ufaras.ru