Министерство высшего и профессионального образования РФ

АГТУ

ИНСТИУТ НЕФТИ И ГАЗА

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ГИДРОМЕХАНИКЕ

Выполнил студент 2 курса ИНиГ

ПОДЛЕВСКИХ А.В.

Проверил преподаватель

ГЛАВАТСКИХ Н.С.

АРХАНГЕЛЬСК 2010

Содержание

1. Расчет изменения уровня жидкости в резервуарах при перепаде температур

2. Расчет сил давления жидкости, действующих на плоские и криволинейные стенки. Выбор толщины стенки резервуара

3. Истечение жидкости через отверстия и насадки. Опорожнение резервуаров

4. Гидравлические струи. Силовое воздействие струи на преграду

5. Гидравлический расчет трубопроводов. Выбор их диаметров

6. Основы гидравлического расчета магистрального трубопровода и выбор расположения насосных станций

7. Безнапорный приток жидкости к скважине

Список использованной литературы

1. Расчет изменения уровня жидкости в резервуарах при перепаде температур

Определить максимальный уровень нефти в резервуаре, чтобы при повышении температуры на Δt (0С) не произошло его переполнение. Показание манометра определить при полном заполнении резервуара

Изменение объема жидкости при перепаде температуры характеризуется коэффициентом температурного расширения βt : ,

где ΔV – изменение объема жидкости при изменении температуры;

V – начальный объем жидкости;

Δt – перепад температуры, 0С.

Среднее значение температурного расширения βt в зависимости от плотности при температуре 15 0С принимаем равным 0,00077 0С-1. Начальный объем жидкости V принимаем равным объему резервуара. В сферическом резервуаре изменение уровня жидкости находят через объем шарового сегмента по формуле

Задаём Δh через каждые 5 см.

Числовые значения ΔVн в зависимости от величины Δh представлены в таблице № 1.

Таблица №1

График функции ΔVн=f(ΔVн)

Из формулы , найдём ΔV, учитывая, что V=Vш+ ΔV, Vш=1/6πD3.

Наносим на график значение ΔV=25,06 м3, определяем Δh (Δh=1,19 м ).

Уровень наполнения резервуара равен D- Δh=12-1,19= 10,81 м.

В резервуарах, сообщающихся с атмосферой, для контроля уровня жидкости часто используют манометр.

Манометрическое давление в нижней точке резервуара, сообщающегося с атмосферой,

pм=ρgh ,

где ρ – плотность нефти;

g- ускорение свободного падения;

h- уровень жидкости в резервуаре над осью манометра.

pм=800*9,81*12=94176Па.

2. Расчет сил давления жидкости, действующих на плоские и криволинейные стенки. Выбор толщины стенки резервуар

Определить усилия, действующие на стенки резервуара, точки их приложения, силу давления полностью заполненного резервуара на фундамент. Вычислить толщину стенки резервуара. Вычертить расчетные схемы, указать направление сил, построить тела давлений.

Сила гидростатического давления жидкости на плоскую поверхность определяется по формуле

P=(p0+ ρghc)ω, (1)

где p0 – давление на свободной поверхности жидкости;

hc – глубина погружения центра тяжести плоской фигуры;

ω – площадь плоской фигуры.

a) Свободная поверхность жидкости находится под манометрическим давлением равным 10 кПа.

P=(pм+ ρghc)ω, pм – манометрическое давление.

hc=H-h;

h=( 2d/ 3 )* sin ;

hc= 3,5-( 2*3 / 3*3,14)* sin 75 = 3,5-0,61= 2,89 м

ω= πd*d/8 = (3,14*3*3)/8 = 3,53м2.

Учитывая полученные значения, найдем P.

P=(10*103+800*9,81*2,89)*3,53 =115363 Н.

b) Свободная поверхность жидкости находится под атмосферным давлением.

Если свободная поверхность находится под атмосферным давлением, формула (1) упрощается и принимает вид P=ρghcω.

P=800*9,81*2,89*3,53=80063 Н.

Точкой приложения силы гидростатического давления жидкости на плоскую фигуру является центр давления, который располагается ниже центра тяжести на величину эксцентриситета e.

Ордината центра давления yд определяется по формуле:

где yC – ордината центра тяжести плоской фигуры;

I – момент инерции плоской фигуры относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести.

где α – угол наклона стенки к горизонту.

Рис. 2. Сила давления жидкости на плоскую поверхность (стенку)

Момент инерции I для полукруга определяется по формуле 0,0068d4. Площадь полукруга определяется по формуле ω=πd*d/8. Тогда.

I= 0.0068*34= 0.5508

Hd= 2,94 м

Для сферических поверхностей достаточно определить две составляющие силы гидростатического давления, параллельные соответствующим координатным осям Рх и Рz.

Горизонтальная составляющая равна силе гидростатического давления на вертикальную проекцию криволинейной фигуры и определяется по формуле Px=(p0+ ρghc)ωz,

где hc – глубина погружения центра тяжести проекции криволинейной фигуры на вертикальную плоскость;

ωz – площадь проекции криволинейной фигуры на вертикальную плоскость.

Так как на свободной поверхности жидкости давление равно атмосферному, то Px=ρghcωz.

hc=1/2D; wz=pD2/4. С учетом этих формул Px=ρgpD3/8.

Вертикальная составляющая гидростатического давления определяется по формуле:

Pz=rgV,

где V – объем тела давления.

V=Vц – 1/2Vш; Vц=pD3/8; Vш=pD3/6;

Результирующая сила гидростатического давления жидкости на криволинейную поверхность определяется по формуле:

Толщину стенок резервуара определяют в опасных сечениях по действующей силе и длине линии контакта. С учетом двойного запаса прочности её можно определить по формуле

трубопровод скважина нефть резервуар гидравлический

где [sр] – допускаемое напряжение на разрыв;

P – сила гидростатического давления жидкости, действующая на стенки резервуара в опасном сечении;

x – длина линии контакта в опасном сечении;

kз – коэффициент запаса прочности.

Aк – припуск на коррозию и технологические требования.

1) Найдем толщину стенок для сечения 2-2:

Длина линии контакта x=p*D.

2) Найдём толщину стенки резервуара для сечения 1-1

Найдем точку приложения силы Px.

hc=D/2; I=pD4/64;

Длина линии контакта

Принимаем толщину стенки сосуда равной 4,9 мм.

3. Истечение жидкости через отверстия и насадки. Опорожнение резервуаров

В донной части резервуара имеется отверстие или насадок. Рассчитать параметры движения жидкости при истечении через отверстия или насадки. Определить скорость струи в сжатом сечении и расход при истечении через донное отверстие или насадок диаметром d для двух случаев: а – резервуар заполнен полностью; б – резервуар заполнен до половины. Вычислить время полного опорожнения резервуара. Определить и сравнить время опорожнения верхней и нижней половин резервуара

Так как отверстие находится в донной части резервуара, то траектория струи будет вертикальная прямая.

ω – площадь отверстия или насадка.

ω=πd2/4;

d=25мм = 0,025м

ω= 0,00049 м2;.

Скорость струи при истечении через отверстия или насадки в общем случае определяется по формуле

где φ – коэффициент скорости;

Нпр – приведенный напор.

Приведенный напор зависит от перепада давлений на свободной поверхности жидкости и в среде, в которую происходит истечение,

где Н – геометрический напор над центром тяжести отверстия или насадка;

р0, рср – давление соответственно на свободной поверхности жидкости и в среде, в которую происходит истечение.

При истечении жидкости из открытых резервуаров в атмосферу Нпр=Н.

Расход жидкости при истечении через отверстия и насадки

где μ – коэффициент расхода.

Определим скорость струи в сжатом сечении и расход для двух случаев:

а) резервуар заполнен полностью.

Нпр=Н=D.

Для цилиндрического внутреннего насадка φ=0,71, μ=0,71.

б) резервуар заполнен до половины.

Нпр=Н=D/2

При истечении жидкости при переменном напоре часто требуется определить время для наполнения или опорожнения резервуара.

В общем случае, когда резервуар имеет произвольные очертания, время опорожнения t части резервуара может быть определено методами численного интегрирования выражения

где Ω – площадь горизонтального сечения резервуара;

dh – изменение уровня жидкости в резервуаре за бесконечно малый промежуток времени dt;

h – текущее значение уровня жидкости в резервуаре;

H1, H2 – уровень жидкости в резервуаре соответственно в начальный и конечный моменты времени;

Qп – расход жидкости, поступающий в резервуар.

В случаях сосудов шарообразной формы при отсутствии притока (Qп=0) интеграл имеет решение:

где tп – время полного опорожнения, а tч – время частичного опорожнения.

Время полного опорожнения:

Время опорожнения верхней половины:

Время опорожнения нижней половины:

4. Гидравлические струи. Силовое воздействие струи на преграду

Рассчитать параметры свободной затопленной струи жидкости в четырех сечениях: при x’=0 (начальное сечение), x’=xн (переходное сечение), x’=2xн, x’=4xн. Параметры определить для двух типов струи: плоской и круглой. Для плоской струи половина высоты отверстия b0, а его ширина l0=20b0. Для круглой струи радиус отверстия r0. Построить эпюры распределения скоростей в струе жидкости для указанных сечений.

Определить силовое воздействие круглой струи на плоскую твердую границу породы пласта для 2-х случаев: струя вытекает из отверстия долота перпендикулярно и под углом a к породе. Найти силу давления струи на породу в направлении действия струи и нормальную силу давления. Как изменятся силы, если к отверстию присоединить насадки: цилиндрический внешний и коноидальный

Схема движения свободной затопленной турбулентной струи

Основные расчетные зависимости для круглых и плоских свободных затопленных турбулентных струй

Параметр	Круглая струя	Плоская струя
Коэффициент турбулентной структуры a	0,08	0,09-0,12
Половина угла расширения b	3,4a	2,4a
Расстояние от полюса до начального сечения x0
Длина начального участка xн
Радиус R или полутолщина B струи
Скорость на оси основного участка струи umax
Расход на основном участке Q

Скорость в начальном сечении u0 определим по формуле

Приведенный напор зависит от перепада давлений на свободной поверхности жидкости и в среде, в которую происходит истечение,

d=r/rв => r=d*rв с учетом этой формулы

С учетом исходных данных найдем

Формула для определения расхода струи в начальном сечении

2 = 0,62*10-3 м2 (для круглой струи)

(для плоской струи)

(для круглой струи)

(для плоской струи)

Коэффициент турбулентной структуры a: для круглой струи равен 0,08; для плоской принимаем 0,1.

Половина угла расширения b: для круглой струи 3,4*a=3,4*0,08=0,272; для плоской 2,4*а=2,4*0,1=0,24.

Расстояние от полюса до начального сечения x0: для круглой струи 0,29*r0/a=0,29*14/0,08=50,75 мм; для плоской струи 0,41*b0/a=0,41*14/0,1=57,4 мм.

Длина начального участка xн: для круглой струи 0,67*r0/a=0,67*14/0,08=117,25 мм; для плоской струи 1,03*b0/a=1,03*14/0,1=144,2 мм.

Расчетные значения радиуса r или полутолщины струи B, скорости на оси основного участка струи umax, расхода на основном участке Q представлены в таблице 2.

Таблица №2

Поперечные профили распределения скоростей в сечениях струи рассчитывают по формуле u=umax(1 - h1,5)2. Радиус R или полутолщину струи В разбивают на отрезки через 0,2h. Результаты расчетов представлены в таблицах №3 и №4.

Таблица № 3

Таблица №4

Силовое воздействие круглой струи на твердую преграду рассчитывают при тех же исходных данных по формулам: струя вытекает из отверстия перпендикулярно к породе Pкр=kнrw0u02, под углом a к породе Pкр=kнrw0u02sin2a, PN кр=kнrw0u02sina.

d=r/rв => r=d*rв; r=1,26*1000=1260 м3/кг.

w0=wc; wc=e*w.

Определим wc для каждого насадка и отверстия:

1) круглое отверстие в тонкой стенке:

ωс=0,64*0,00062=0,0004 м2

2) внешний цилиндрический насадок:

ω=0,00062 м2

3) коноидальный насадок:

ω=0,00062 м2

4) Давление струи на плоскую твердую поверхность, расположенную перпендикулярно струе:

а) круглое отверстие в тонкой стенке:

б) внешний цилиндрический насадок:

в) коноидальный насадок:

Наименьшее силовое воздействие струи на преграду будет при круглом отверстии в тонкой стенке, а наибольшее при коноидальном насадке.

5) Давление струи на плоскую твердую поверхность, наклоненную на угол a.

а) круглое отверстие в тонкой стенке:

б) внешний цилиндрический насадок:

в) коноидальный насадок:

Вывод: наибольшая сила воздействия струи на преграду наблюдается при использовании насадков

5. Гидравлический расчет трубопроводов. Выбор их диаметров

Подобрать диаметры трубопроводов, чтобы расход из каждого резервуара, питающего трубопровод, был одинаковый. Резервуары заполнены до половины. Вычертить расчетную схему. Построить пьезометрическую линию для магистрали

а) Расчёт расходов на участках трубопровода:

По условию задачи расходы жидкости в ветвях трубопровода будут одинаковые: Q1=Q2=…=Qn. Они определяются по формуле:

где Q – расход, подводимый по трубопроводу к насосной станции;

n – количество ответвлений, равное количеству резервуаров.

Расходы на участках определяются согласно разработанной схеме:

Тогда Q1= Q2= Q3= Q4= Q6=0,128 м3/с.

Расход на участке 7-8

Q7=Q1+Q2=0,128+0,128=0,256 м3/с.

Расход на участке 8-9

Q8=Q7+Q3 +Q4=0,256+0,128+0,128=0,512 м3/с.

Расход на участке 9-10

Q9=Q8+Q6=0,64 м3/с.

б) Расчёт диаметров магистрального трубопровода.

Приближенно можно принять, что диаметр трубопровода обычно соответствует экономически наивыгоднейшим скоростям течения жидкости u=0,8…1,5 м/с.

Тогда:

где w - площадь живого сечения трубопровода;

d – внутренний диаметр трубопровода.

Из полученного выражения определим диаметр:

Предварительно принимаем скорость движения в магистральном трубопроводе 1,1 м/с.

Рассчитываем диаметры трубопровода на участках.

На участке 9-10

По приложению 4 принимаем d9=900 мм.

На участке 8-9

По приложению 4 принимаем d8=800 мм.

На участке 7-9

По приложению 4 принимаем d7=600 мм.

Находим фактическую скорость на участках:

На участке 9-10

На участке 8-9

На участке 7-8

в) Расчет напоров в узловых точках.

Пьезометрический напор жидкости на входе в насосную станцию определяется по формуле:

Hн=zн+hсв,

где zн – отметка насосной станции;

hсв – свободный напор на входе в насосную станцию.

Отметка насосной станции zн= z10. Тогда H10=140,0+0,3=140,3 м.

В остальных узловых точках

Hн=Hк+hw,

где Hн, Hк – пьезометрический напор соответственно в начале и конце участка трубопровода;

hw – потери напора на участке.

Потери напора по длине определяются на каждом участке трубопровода

где l - коэффициент гидравлического трения;

l – длина участка трубопровода.

Трубопровод является гидравлически длинным. Потери напора на местных сопротивлениях учтем увеличением потерь по длине трубопровода на 10%. Тогда общие потери напора на участке составят:

Коэффициент гидравлического трения l определяют по расчетным зависимостям или по графику Мурина в зависимости от режима движения жидкости и зоны гидравлических сопротивлений, в которой работают участки трубопровода. Предварительно определяют число Рейнольдса по формуле

где n - коэффициент кинематической вязкости жидкости.

Результаты расчетов представлены в таблице №5

Таблица №5

г) Построение пьезометрической линии.

Чтобы резервуары не имели «мертвого» объема, должны соблюдаться условия:

z1>H7 156,2>141,08 (условие выполняется);

z2>H7 142,3>141,08 (условие выполняется);

z3>H8 144,7>140,81 (условие выполняется);

z4>H8 145,8>140,81 (условие выполняется);

z6>H9 150,6>140,69 (условие выполняется).

д) Расчет диаметров трубопровода на ответвлениях.

На ответвлениях весь напор тратиться на преодоление потерь. В этом случае потери напора определяются по формуле hw=zр+Hр-Hy,

где zр – геодезическая отметка дна резервуара;

Hр – уровень жидкости в резервуаре;

Hу – напор в соответствующей узловой точке.

Определяем потери напора:

на участке 1-7

h1=156,2+6-141,08=21,12 м;

на участке 2-7

h2=142,3+6-141,08=7,22 м;

на участке 3-8

h3=144,7+6-140,81=9,89 м;

на участке 4-8

h4=145,8+6-140,81=10,99 м;

на участке 6-9

h6=150,6+6-140,69=15,91 м;

При решении задания требуется найти диаметр по известным расходу и напору. Задаваясь стандартными диаметрами условного прохода труб, расчет выполняют способом подбора.

Расчет ведут по диаметру условного прохода, который приближенно можно определить по удельному сопротивлению трубопровода S0, выразив его из формулы hw=1,1S0Q2l; S0=hw/1,1*Q2*l.

Найдем S0 для участков трубопровода:

На участке 1-7

S0=21,12/1,1*0,1282*45=26,04 c2/м6.

На участке 2-7

S0=7,22/1,1*0,1282*25=16,02 c2/м6.

На участке 3-8

S0=9,89/1,1*0,1282*10=54,88 c2/м6.

На участке 4-8

S0=10,99/1,1*0,1282*20=30,49 c2/м6.

На участке 6-9

S0=15,91/1,1*0,1282*30=29,43 c2/м6.

Подбор диаметров трубопровода представлен в таблице №6.

Таблица №6