Неустановившиеся течения одно-и двухфазных сред в каналах

В работе исследуются нестационарные течения жидкостей, газов и смесей применительно к проблемам нефтегазового комплекса. Исследование выполнено на основе построения математических моделей с привлечением идей и подходов механики сплошных сред и вычислительной математики.

Задачи о неустановившихся течениях углеводородов привлекают внимание многих исследователей богатством затрагиваемых явлений и процессов, а также своей прикладной значимостью. В практике нефтедобычи одним из самых ярких гидродинамических процессов является гидроразрыв пласта. Применение гидроразрыва пласта началось в шестидесятых годах. К этому же времени относятся и первые теоретические исследования развития и формирования трещины гидроразрыва. С введением в разработку крупных месторождений Западной Сибири интерес к гидроразрыву пласта несколько снизился. В последние годы произошло существенное изменение структуры запасов углеводородов. Многие крупные месторождения в настоящее время находятся на вторичной стадии разработки, основные запасы нефти сосредоточены в низкопроницаемых пластах. Интерес к гидроразрыву вновь возрос.

На протяжении всей истории использования гидроразрыва нефтяного пласта ведутся экспериментальные и теоретические исследования. В результате совершенствуется технология проведения гидроразрыва и растет его эффективность. Ниже приведен краткий обзор теоретических работ зарубежных и отечественных авторов.

Одно из первых аналитических решений в существенно упрощенной постановке задачи о гидроразрыве пласта найдено R. Carter [162]. Основополагающими по теории гидроразрыва являются работы T.K.Perkins, L.R.Kern [176] и R.P.Nordgren [173]. Большинство предложенных моделей развития трещины обладают важным свойством существования автомодельных решений. Общий способ конструирования моделей гидроразрыва и поиска определенных классов автомодельных решений дан M. Cleary et al [164, 165]. В работах S. Advani et al [155, 156, 157] найдены автомодельные решения для широкого класса моделей.

В отечественной литературе основополагающей в развитии теории гидроразрыва является работа Ю. П. Желтова, С. А. Христиановича [54]. Свой вклад внесли Г. И. Баренблатт [14, 15], Ю. В. Желтов (Ю.П.Желтов, Ю. В. Желтов [53]). Одна из последних работ по теоретическому моделированию гидроразрыва в русле идей С. А. Христиановича и Ю. П. Желтова принадлежит О. П. Алексеенко [3]. По теории и практике гидроразрыва имеется ряд монографий Ю. П. Желтова [52], А. С. Меликбекова [96], В. Г. Логинова, В. А. Блаженовича [89]. Распространение вертикальной трещины гидроразрыва в непроницаемой среде и с учетом свойств среды фильтровать жидкость рассмотрены Ю. Н. Гордеевым, А. Ф. Зазовским [40, 41]. О. Е. Ивашневым, Н. Н. Смирновым [59] описан процесс формирования трещины гидроразрыва в пористой среде. Рассматриваются вопросы и о притоке жидкости к скважине с трещиной (Р.Д.Раневская, Р. М. Кац [112]- M.J.Economides, K.G.Nolte [166] и ДР-).

Вторая часть работы посвящена изучению нестационарных процессов, связанных с транспортированием газа в разветвленных системах трубопроводов.

Современная технология транспорта газа превращает магистральный трубопровод в единую динамическую систему, требующую согласованной работы всех ее элементов. Увеличение протяженности и мощности трубопроводов вместе с усложнением его структуры предполагает развитую систему его математического обеспечения. Математическое моделирование неустановившихся течений в газотранспортных системах условно разделяется на два главных направления — аналитическое и численное.

Импульсом к развитию аналитического подхода послужило упрощение исходных уравнений предложенное И. А. Чарным [148]. Упрощенные линеаризованные системы дифференциальных уравнений хорошо изучены. Привлекательность указанного подхода состоит в возможности построения локального решения, используя эффективные методы интегральных преобразований (Б.М.Мардонов, Г. А. Хромов [93]- Л. Х. Мирзаджанзаде, М. А. Гусейнзаде [98]- В. А. Юфин, А. И. Мамедов, В. А. Аллахвердиев [151, 152]). Проблема многомерности, порожденная структурой газотранспортной системы, в настоящее время нашла наиболее эффективное решение благодаря математической модели, разработанной С. А. Бобровским, С. Г. Щербаковым, М. А. Гусейнзаде, В. А. Юфиным и др. (С.А.Бобровский, С. Г. Щербаков, М. А. Гусейнзаде [19]- М. А. Гусейнзаде, В. А. Юфин [47]- М. А. Гусейнзаде, М. Ф. Степанова [46]- М. А. Гусейнзаде, Л. И. Другина, О. Н. Петрова, М. Ф. Степанова [45]). Предпринимаются попытки улучшить точность решения нестационарных задач магистрального транспорта газа путем более сложной линеаризации уравнений движения (В.В.Грачев и др., [43]). Вопросы линеаризации уравнений нестационарного неизотермического течения реального газа в трубопроводах рассматривались Б. Л. Кривошеином, В. П. Радченко [72]. Возможность получения более точных аналитических решений показана, например, в работах А. С. Трофимова, А. В. Судакова, А. В. Козлова [141]- А. С. Трофимова, Е. В. Кочаряна, В. А. Василенко [140].

Другое направление в решении задач магистрального транспорта газаиспользование методов вычислительной математики. Достижения последних лет в решении этих задач связаны, как правило, с использованием ЭВМ. Результаты численных расчетов наряду с их самостоятельным значением могут быть использованы для обоснования упрощающих допущений математической модели процесса и оценки точности аналитических методов ее реализации. Как показывает анализ работ по изучению неустановившегося движения газа по трубам, математическое моделирование течения является основным способом исследования нестационарных процессов.

В связи с нестабильностью процесса транспортирования, неравномерностью загрузки и отбора газа необходим учет нестационарности движения. Ввиду значительной протяженности магистралей количество газа аккумулированного в них очень велико. Представляется важным умение определять текущее состояние газотранспортной системы при переменных граничных условиях и изменениях гидравлического режима.

Направление численного моделирования нестационарных течений в газотранспортной системе развито в работах Е. М. Минского, Ю. И. Максимова [97]. Предложены явные и неявные схемы расчета изотермического течения. Явные схемы приводят к простейшим алгоритмам, но обладают меньшей устойчивостью. В большинстве случаев отдают предпочтение неявным схемам. Несмотря на многократное увеличение объема вычислений на каждом временном слое общее число итераций уменьшается (И.С.Березин, Н. П. Жидков [18]).

Современные численные алгоритмы описаны в монографиях М. Г. Сухарева, Е. Р. Ставровского [125]- М. Г. Сухарева, А. М. Карасевича [124]. С целью увеличения быстродействия расчетов прибегают к линеаризации разностных уравнений. Каждый нелинейный член разбивается на произведение сомножителей, из которых линейный относится к новому временному слою, а все нелинейности к предыдущему слою. Полученная система алгебраических уравнений может иметь в итоге специфическую структуру, решение которой достигается методом прогонки, приводящем к устойчивому рекуррентному процессу.

Все более широкое распространение получают экономичные разностные схемы типа «предиктор-корректор» (М.Г.Сухарев, Е. Р. Ставровский [125]). Данный метод объединяет лучшие качества явных и неявных схем. Процесс счета является безитерационным, но обладает высокой устойчивостью. Процесс интегрирования разделен на два этапа, на первом из которых определяется решение на промежуточном временном слое по упрощенным линеаризованным уравнениям, на втором — возмещается потеря точности.

При решении задач нестационарного неизотермического течения газа по магистралям существенно возрастает сложность конечно-разностной схемы ввиду добавления к системе уравнений энергии. Были предложены явные схемы расчета течения газа с учетом его теплообмена с окружающей средой. Неявные разностные схемы, решения полной системы уравнений движения газа по трубе, разработаны О. Ф. Васильевым, А. Ф. Воеводиным [33].

Одна из основных задач развития численного моделирования нестационарных течений в газотранспортной системе — максимальное сокращение времени счета. Использование современных численных методов при приемлемых значениях шагов интегрирования позволяет многократно сократить временные затраты. Возможности моделирования возрастают и в связи с совершенствованием самой вычислительной техники.

Идет поиск новых путей приближенного решения уравнений движения. Суть традиционных методов состоит в упрощениях, позволяющих получить аналитическое решение (И.А.Чарный [147]- И. Е. Ходанович [145]). М. Г. Сухарев, Е. Р. Ставровский [125] предлагают принципиально новый подход, основанный на использовании почти стабильных интегралов, связывающих граничные функции. Задачи о движении газов и газовых смесей в трубах рассматривались и многими другими авторами (О.Ф.Васильев, Э. А. Бондарев, А. Ф. Воеводин, М. А. Каниболотский [32]- Ю. В. Лапин, М. Х. Стрелец [88]- Г. В. Гогричиани, А. В. Шипилин [39]).

Быстрое стравливание газа из магистрали, а также нарушение ее герметизации приводит к возникновению интенсивных скоростных потоков, вовлекающих в движение пыль со стенок трубы. Струйное истечение газодисперсной смеси характеризуется сложной структурой. Картина течения заметно усложняется дополнительно возникающими разрывами, которые появляются в процессе дифракции ударной волны при ее выходе в открытое пространство.

Вопросами дифракции при малых углах отклонения потока занимался M.J.Lighthill [171]. Им показано, что в пренебрежении эффектами вязкости процесс дифракции автомоделей. При этом возникающая дифракционная картина существенно зависит от того, является ли течение сверхили дозвуковым. К числу экспериментальных исследований дифракции на малых углах можно отнести работу I.I.Class [163]. В реальной картине течения даже при малых углах появляются дополнительные поверхности разрывов, не учитываемые в линейном приближении.

При больших углах отклонения потока картина дифракции меняетсяпроисходит отрыв потока, поток поворачивается в веере Прандтля-Майера параллельно линии срыва. Дифракция сильных ударных волн при срывных течениях изучалась в работах B.W.Skews [180]- Г. М. Арутюняна [5]- Т. В. Баженовой, Л. Г. Гвоздевой, Б. С. Комарова, Б. Г. Сухова [13]- Т. В. Баженовой, Л. Г. Гвоздевой, Ю. Б. Жилина [12]. К одним из первых исследований численными методами фронта волны при дифракции, где получены срывные режимы, относятся работы Г. В. Тарнавского, В. И. Хоничева, В. И. Яковлева [126]- В. Н. Ляхова [91]. D.C.Pack [174] теоретически показал, что и при больших углах отклонения потока процесс дифракции должен проходить автомодельно. В работах T.V.Bazhenova, L.G.Gvozdeva, V.S.Komarov, B.G.Suchov [158]- S. Schuls [179] экспериментально обнаружено, что при увеличении интенсивности падающей ударной волны на дифрагирующей ударной волне возникает точка перегиба, которая при дальнейшем увеличении интенсивности превращается в маховскую конфигурацию.

В работе Е. Н. Васильева [31] проведено численное исследование нестационарного истечения сверхзвуковой струи, образующейся при дифракции ударной волны, выходящей из канала круглого сечения в затопленное пространство. Дано сравнение с экспериментом S.A.Sloan,.

M.A.Nettleton [181]. Особенности ударного запуска сверхзвуковых струй, истекающих из плоских каналов постоянного сечения, анализируются в работе.

B.Б.Кислякова [67]. Структура стационарных сверхзвуковых струй с примесями взвешенных частиц исследуется в работах M. Sommerfeld [182−184]. Численное I моделирование импульсных струй вязкого теплопроводного газа проводится в работе Н. М. Булгаковой [26].

Процесс ударного выброса огнетушащего порошка изучался в институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева. Разработан принципиально новый способ тушения пожаров на фонтанирующих скважинах. Возникающая при выбросе газопорошковая струя сворачивается в вихревое кольцо, которое сбивает пламя факела. Среди многочисленных исследований в этом направлении можно выделить работы Д. Г. Ахметова, О. П. Кисарова [9]- М. А. Лаврентьева, Б. В. Шабата [86]- Д. Р. Ахметова, Б. А. Луговцова, В. Ф. Тарасова [10].

В основе теоретических исследований двухфазной газовой динамики лежит феноменологический подход предложенный Х. А. Рахматулиным [113]. Анализ характеристических свойств уравнений двухжидкостных течений газа с диспергированными частицами и возникающих в таких течениях поверхностей разрывов выполнен А. Н. Крайко, Л. Е. Стерниным [71]. Дальнейшее развитие теории многоскоростного континуума с введением разрывов с поверхностными свойствами дано в работах А. Н. Крайко [69, 70].

Изучению нестационарных течений аэродисперсных смесей посвящены работы многих авторов (Ю.В.Казаков, А. В. Федоров, В. М. Фомин [63];

C.П.Киселев, Г. А. Руев, А. П. Трунев [66] и др.). Проведена оценка параметров потоков в рамках равновесного приближения с помощью построения инвариантов Римана в псевдогазе. Рассмотрена задача о распаде разрыва применительно к проблеме выброса частиц в свободную атмосферу. Изучена структура ударных волн и комбинированных разрывов в газовзвесях. Исследовано обтекание тел сверхзвуковым потоком запыленного газа (А.Н.Осипцов [107]- Л. А. Егорова, А. Н. Осипцов, В. И. Сахаров [50, 51]).

Построением математических моделей механики гетерогенных сред, описывающих течения смесей газа и твердых частиц с учетом вязкости газа и собственного давления дисперсной фазы занимались: А. В. Федоров [142]- Н. Н. Яненко, В. М. Фомин, Федоров и др. [154]- Е. В. Варламов, А. В. Федоров [30]- А. В. Федоров, Н. Н. Федорова [143].

Расчет разлета сжатого объема газовзвеси проведен Ю. В. Казаковым, А. В. Федоровым, В. М. Фоминым [62, 64]. В работе Б. Е. Гельфанда, Ю. В. Казакова, С. П. Медведева, А. Н. Поленова, А. В. Федорова, В. М. Фомина [37] рассмотрен процесс разлета сжатой стратифицированной газопылевой системы. Закономерности формирования и распространения ударных волн при разлете сжатого объема газовзвеси изучались Б. Е. Гельфандом, С. П. Медведевым,.

A.Н.Поленовым, А. М. Бартеневым [38]- Б. Е. Гельфандом, А. В. Губановым, С. П. Медведевым, Е. И. Тимофеевым, С. А. Цыгановым [36]. В исследовании.

B.М.Бойко, В. П. Киселева, С. П. Киселева [22] анализируется взаимодействие ударной волны с облаком частиц. Процесс разлета слоя порошкообразной среды рассматривался в работах А. Г. Кутушева, Д. А. Рудакова [80, 81]- А. Г. Кутушева [76]- Д. В. Садина [116, 117]. Систематическое изложение термогидродинамики гетерогенных смесей содержится в работах М. А. Лаврентьева, Б. В. Шабата [86]- Л. Е. Стернина, Б. Н. Маслова, А. А. Шрайбера, А. М. Подвысоцкого [123]- Г. М. Арутюняна [6]- Р. И. Нигматулина [101].

Развитие механики многофазных сред неразрывно связано с экспериментальными исследованиями. Ввиду сложности протекающих физических процессов и их скоротечности в практику исследований внедрены новые комплексы измерительной аппаратуры. В числе работ этого направления выделяются следующие: В. М. Бойко, В. Ф. Климкин [23]- В. М. Бойко, А. А. Карнаухов, В. Ф. Косарев, А. Н. Папырин [21]- В. М. Бойко, А. Н. Папырин [24]- V.M.Boiko, A.N.Papyrin [161]- V.M.Boiko et al [159]- V.M.Boiko, A.N.Malov [160].

Состояние проблемы.

На данном этапе исследования процессов неустановившихся течений однои двухфазных сред в каналах, которыми занимались и продолжают заниматься многие исследователи:

— недостаточно изучено влияние примеси частиц в жидкости гидроразрыва на динамику раскрытия трещины и ее конечную форму при изъятии нефти из низкороницаемых пластов;

— не сформировано общее мнение в подходе к решению нестационарных задач магистрального транспорта газа;

— не решено ряд задач прикладного характера.

Особое значение придается вопросам экологии, в связи с возможными случаями нарушения естественной структуры почвы, загрязнения окружающей среды при утечке перекачиваемой жидкости и газов, аварийных разрывов трубопроводов, возникновения стихийных очагов горения.

Цель работы:

— решение ряда актуальных задач нефтегазового комплекса путем построения математических моделей нестационарных процессов движения жидкостей, газов и смесей;

— исследование предложенных моделей численными и аналитическими методами;

— получение количественных оценок и создание комплексов программ.

Достижение цели обеспечивает решение следующих задач:

— изучение процесса формирования трещины гидроразрыва;

— рассмотрение вопросов связанных с утечкой перекачиваемой жидкости при разгерметизации или разрыве трубопровода;

— рассмотрение аспектов математического моделирования нестационарных течений газа в разветвленной системе труб с учетом внешних воздействий;

— установление особенностей распространения ударных волн в шероховатых трубах, истечения газа при разрушении магистрали высокого давления;

— исследование процесса ударного выброса аэродисперсной среды в атмосферу.

Научная новизна.

1. Предложена математическая модель и рассмотрены особенности процесса течения вязкой жидкости с примесью частиц по раскрывающейся трещине в пористой среде. Изучено влияние примеси частиц в жидкости гидроразрыва на динамику раскрытия трещины и ее конечную форму.

2. Сделаны количественные оценки утечки перекачиваемой жидкости при гильотинном разрыве подводного трубопровода для случаев напорного и безнапорного истечения. Определена динамика растекания жидкости под ледяным покровом водоема и по поверхности грунта с учетом его влажности и наклона поверхности.

3. Сформулированы эффективные граничные условия сопряжения нестационарных газовых потоков в узлах разветвленной системы труб. Создан программный комплекс, позволяющий определять отклик системы на внешние воздействия.

4. Проведено исследование влияния сопротивления и теплообмена на характер распространения нестационарных ударных волн в трубе заполненной газом, ударного воздействия при разрушении участка магистрали высокого давления.

5. Проведено численное моделирование процесса ударного выброса аэродисперсной среды из цилиндрического канала в окружающее пространство. Исследовано влияние основных определяющих параметров на эффект образования вихревого дисперсного кольца и дальность разлета частиц.

6. Проведен теоретический анализ равновесного состояния смеси газа с твердыми частицами за косыми скачками уплотнения с учетом конечности объема занимаемого дисперсной фазой.

7. Исследовано влияние объемного содержания частиц в смеси на степень досжатия газа при нормальном отражении от стенки плоской ударной волны. Изучена одномерная модель решетчатого газа как система взаимодействующих частиц.

На защиту выносятся:

— математическая модель течения вязкой жидкости с примесью частиц по раскрывающейся трещине в пористой среде. Результаты исследования влияния примеси частиц в жидкости гидроразрыва на динамику раскрытия трещины и ее конечную форму;

— количественные оценки утечки перекачиваемой жидкости при гильотинном разрыве подводного трубопровода для случаев напорного и безнапорного истечения, динамики растекания жидкости под ледяным покровом водоема и по поверхности грунта с учетом его влажности и наклона поверхности;

— эффективные граничные условия сопряжения нестационарных газовых потоков в узлах разветвленной системы труб. Их реализация в программном комплексе, позволяющем определять текущее состояние системы при переменном граничном режиме;

— результаты исследования влияния сопротивления и теплообмена на характер распространения нестационарных ударных волн в трубе заполненной газом, ударного воздействия при разрушении участка магистрали высокого давления;

— результаты численного моделирования процесса ударного выброса аэродисперсной среды из цилиндрического канала в окружающее пространство, анализа влияния основных определяющих параметров на эффект образования вихревого дисперсного кольца и дальность разлета частиц;

— результаты теоретического анализа равновесного состояния смеси газа с твердыми частицами за косыми скачками уплотнения с учетом конечности объема занимаемого дисперсной фазой, влияния объемного содержания частиц в смеси на степень досжатия газа при нормальном отражении от стенки плоской ударной волны, одномерной модели решетчатого газа как системы взаимодействующих частиц.

Теоретическая значимость.

Предложена теоретическая модель процесса течения вязкой жидкости с примесью частиц по раскрывающейся трещине в пористой среде. Предложена модель процесса двухслойного ламинарного течения несмешивающихся жидкостей в круглой трубе и плоском канале, обусловленного различием плотностей сред и внешними воздействиями. Разработаны специальные численные схемы расчета нестационарных газовых потоков в узлах разветвленной системы труб. Предложен метод решения бесконечной системы линейных алгебраических уравнений зацепляющегося типа.

Практическая значимость.

Результаты исследования могут быть использованы в практике добычи и транспортировки углеводородного топлива. При проведении гидроразрыва нефтяного пласта, оценке последствий аварийной утечки перекачиваемой жидкости при разрывах подводного/наземного участков трубопроводов, определении зоны безопасности в условиях разрушения участка магистрали высокого давления. Представленный программный комплекс позволяет делать прогноз или вести технологический расчет нестационарных газовых потоков в разветвленной системе труб.

Публикации.

По результатам исследования опубликовано 30 печатных работ, в том числе 16 — в рекомендованных ВАКом журналах, из которых 9 работ опубликовано без соавторов.

Личный вклад автора.

Результаты, выносимые на защиту, получены лично автором. Автору принадлежит постановка задач по исследованию неустановившихся течений однои двухфазных сред в каналах, построение моделей процессов, анализ и интерпретация результатов исследования. В совместных публикациях, посвященных ударному выбросу газа с примесью частиц и утечке перекачиваемой жидкости, исследование выполнялось под руководством А. Г. Кутушева, которому выражаю глубокую признательность и благодарность.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 280 страниц, включая 83 рисунка.

ВЫВОДЫ.

Выброс смеси газа и горящих частиц унитарного топлива из канала ударной трубы в окружающее газовое пространство сопровождается формированием основной структуры струйного истечения. Рост интенсивности реакции в области повышенного давления изменяет величину встречных скачков уплотнения и их относительное расположение. Горение частиц усиливает процесс разделения дисперсного слоя и может привести к возникновению сильного возвратного движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По материалам проведенного исследования в области моделирования неустановившихся течений однои двухфазных сред в каналах сформулированы следующие основные результаты и выводы.

1. Предложена математическая модель и рассмотрены особенности процесса течения вязкой жидкости с примесью частиц по раскрывающейся трещине в пористой среде. Установлено, что присутствие частиц в жидкости гидроразрыва существенно влияет на характер процесса в целом. Рост трещины в длину может прекратиться вследствие закупоривания ее носика. Уменьшение объемного содержания частиц в закачиваемой смеси приводит к замедлению выпадения осадка и более длительному росту трещины. Предварительная подача жидкости гидроразрыва без примеси частиц увеличивает максимальную длину трещины и снижает среднюю скорость ее роста до предельной длины. Отношение времени заполнения всей полости трещины частицами к моменту достижения предельной длины изменяется незначительно.

Найдено автомодельное решение задачи о закачивании проппанта в трещину гидроразрыва. Увеличение доли дисперсной фазы в подаваемой смеси замедляет рост трещины. В автомодельном режиме осаждение частиц повышает скорость втекающей смеси, прилипание к берегам трещиныснижает.

2. Изучен процесс двухслойного ламинарного течения несмешивающихся жидкостей в круглой трубе и плоском канале, обусловленный различием плотностей сред и внешними воздействиями. Найдено автомодельное решение задачи о безнапорном истечении жидкости из канала в затопленное пространство. Показано, что это решение более адекватно описывает известные эксперименты. Получена зависимость объема вытекшей жидкости от времени при различных соотношениях вязкостей и плотностей фаз. Установлено, что увеличение отношения динамических вязкостей легкой и тяжелой сред приводит к уменьшению доли вытеснения (при истечении легкой жидкости).

При смене ролей обоих жидкостей (истечении тяжелой жидкости) скорость волны уменьшается, а доля вытеснения увеличивается. Получено численное решение аналогичной задачи для случая напорного истечения жидкостей из разорванного трубопровода.

3. Рассмотрен процесс растекания вязкой жидкости по плоской поверхности с учетом ее потерь на просачивание в пористую среду. Найдены и изучены автомодельные формы роста жидкого пятна на поверхности влажного грунта. При различных наклонах плоскости движения и постоянной мощности источника имеет место гидродинамическое подобие течений. В окрестности источника профиль слоя стабилизируется. Контур растекающегося слоя жидкости имеет эллиптическую форму. Определена динамика растекания легкой жидкости под ледяным покровом водоема.

4. Сформулированы эффективные граничные условия сопряжения нестационарных газовых потоков в узлах разветвленной системы трубреализованы в программном комплексе, позволяющем определять текущее состояние системы при переменном граничном режиме.

5. В результате проведенного исследования распространения ударных волн в шероховатых трубах определена характерная протяженность зоны затухания скачка уплотнения. Установлено влияние сопротивления и теплообмена на форму профиля нестационарной волны сжатия. Проведено сравнение четырех моделей расчета гидравлического удара. Показано, что динамика роста давления удовлетворительно описывается в изотермическом приближении без учета динамического напора.

6. При анализе одномерных изэнтропических течений отмечено различие в асимптотике затухания серии импульсов — преобладание первого всплеска. Изучено взаимодействие ударного импульса треугольной формы с контактным разрывом. Величина прошедшего во второй газ скачка уплотнения возрастает с увеличением силы импульса. При этом интенсивность волны уменьшается быстрее.

7. В случае разрушения участка трубы со сжатым газом наблюдаются характерные особенности струйного истечения. Движение газа вдоль оси и плоскости симметрий имеет общие закономерности. При малой длине разрушаемого участка формируется сложная структура цилиндрических поверхностей разрывов напоминающих последовательность бочек Маха.

8. Процесс нестационарного выброса в атмосферу аэродисперсной среды из цилиндрического канала под действием конечного объема сжатого газа состоит из последовательных стадий одномерного движения дисперсной смеси в канале, двумерного осесимметричного разлета облака частиц во внешнем газовом пространстве и последующего формирования движущегося вихревого дисперсного кольца. На заключительной стадии формирования кольца центр масс системы частиц может дважды менять направление своего движения. Начальная скорость центра масс метаемого слоя взвеси уменьшается, а дальность выброса дисперсной среды увеличивается при возрастании размера частиц и их исходного относительного массового содержания в смеси. Дальность разлета облака частиц повышается с ростом отношения начальных давлений в КВД и КНД ударной трубы.

9. Получено уравнение ударной поляры для равновесных смесей газа с твердыми частицами с учетом объемного содержания дисперсной фазы. Выведены зависимости для предельных углов отклонения потока равновесной смеси за сильными и слабыми косыми скачками уплотнения. Установлено, что при прочих одинаковых параметрах максимальное значение угла отклонения потока за слабыми скачками уплотнения линейно зависит от объемного содержания частиц. За сильными скачками уплотнения соответствующая зависимость имеет более сложный вид.

10. При нормальном отражении от стенки плоских ударных волн во взвесях с равными показателями адиабаты, величина предельного отношения давлений в отраженной и падающей волнах не зависит от объемной доли частиц, а соответствующее отношение плотностей смеси — зависит. Получено точное описание одномерной модели решетчатого газа как системы взаимодействующих частиц. Плотность системы осциллирует вблизи стенки в случае преобладания сил отталкивания.