液體管道彎頭泄漏建模與仿真研究

馬弘毅 閆宏偉 李昕 陳伶

摘 要：由伯努利方程、連續(xù)性方程等方程組成的方程組表明當(dāng)流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)、流場(chǎng)出口靜壓強(qiáng)一定時(shí)，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差、泄漏孔直徑大小、無(wú)泄漏時(shí)管道輸送速度等將影響泄漏流場(chǎng)特性。基于FLUENT的輸水管道彎頭漏流場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表明當(dāng)流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)、流場(chǎng)出口靜壓強(qiáng)一定時(shí)，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與流場(chǎng)入口速度、泄漏速度、泄漏率呈正相關(guān)，與流場(chǎng)出口速度、流場(chǎng)入出口壓強(qiáng)差呈負(fù)相關(guān)。輸水管道彎頭泄漏流場(chǎng)研究以及數(shù)值模擬所得結(jié)果將為液體管道的泄漏檢測(cè)、定位技術(shù)研究提供重要參考。

關(guān)鍵詞：液體管道 彎管泄漏 數(shù)值模擬 仿真模型

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（c）-0008-02

管道運(yùn)輸給生產(chǎn)生活帶來(lái)便利的同時(shí)也因其泄漏事故帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染甚至是對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重威脅[1，2]。液體管道泄漏檢測(cè)、定位的方法雖然多樣，但由于管道運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工況復(fù)雜現(xiàn)在并沒(méi)有一種普適的方法[3]。當(dāng)管道始端或者末端裝有油罐等設(shè)備時(shí)，這些設(shè)備會(huì)將管道一端或者兩端的壓強(qiáng)值鉗制在固定值上，一些檢測(cè)定位方法將無(wú)法使用[4]。彎頭是管道運(yùn)輸系統(tǒng)重要組成部分[5]，泄漏事故時(shí)有發(fā)生。流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)一定、流場(chǎng)出口靜壓強(qiáng)一定條件下液體管道彎頭泄漏流場(chǎng)特性的研究以及數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)將為管道泄漏的檢測(cè)、定位技術(shù)研究提供重要參考。

1 液體管道彎頭泄漏影響因素分析

建立液體管道彎頭泄漏模型如圖1，管道為玻璃鋼夾砂管，管道內(nèi)徑1 m，根據(jù)GB T21238-2007管壁厚0.013 m，90o彎頭曲率半徑為1.5 m，管道壁面絕對(duì)粗糙度0.01 mm，假設(shè)泄漏孔直徑為0.1 m且孔壁光滑，直管部分長(zhǎng)度都為50 m，流場(chǎng)內(nèi)液體流動(dòng)穩(wěn)定，流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)、出口靜壓強(qiáng)一定，管道水平，暫不考慮能量交換影響。

建立泄漏流場(chǎng)的伯努利方程、系統(tǒng)連續(xù)性方程如下：

其中：V1、V2、V3—流場(chǎng)入口、流場(chǎng)出口、泄漏孔處速度；

P1、P2、P3—流場(chǎng)入口、流場(chǎng)出口、泄漏孔處?kù)o壓強(qiáng)；

H1、H2、H3—流場(chǎng)入口、流場(chǎng)出口、泄漏孔高度；

hf2、hf3—流體從流場(chǎng)入口流到流場(chǎng)出口的水頭損失、流體從流場(chǎng)入口流到泄漏孔處的水頭損失，其值與管道內(nèi)流體流速、管道長(zhǎng)度、壁面絕對(duì)粗糙高度等因素有關(guān)[6]；

A1、A2、A3—流場(chǎng)入口、流場(chǎng)出口、泄漏孔處面積，根據(jù)已知條件有：

（4）

（5）

其中：D1—管道直徑；

D3—泄漏孔直徑。

（6）

方程（1）、（2）、（3）變換后如下：

（7）

（8）

方程（5）-（8）表明，當(dāng)流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)、流場(chǎng)出口靜壓強(qiáng)一定時(shí)，影響泄漏后流場(chǎng)入口速度、流場(chǎng)出口速度、泄漏速度、流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差等流場(chǎng)特性參數(shù)的主要因素有管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差、泄漏孔直徑、無(wú)泄漏時(shí)管道輸送速度等。為研究管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差單一變化對(duì)管道彎頭泄漏后流場(chǎng)特性的影響，假設(shè)圖1中管道運(yùn)輸介質(zhì)為水，泄漏前管道輸送速度為1 m/s，利用在計(jì)算流體領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的FLUENT軟件[7]對(duì)彎頭泄漏流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 基于FLUENT的輸水管道彎頭泄漏流場(chǎng)仿真

2.1 仿真模型的建立與計(jì)算

2.1.1 理論模型的選擇

模介質(zhì)模型選用單相不可壓縮牛頓流體模型，運(yùn)動(dòng)模型選用慣性系下的三維定常不可壓縮湍流流動(dòng)模型，湍流模型選用能較好模擬管內(nèi)流動(dòng)的Realizable k-ε湍流模型[8]。

2.1.2 邊界條件的設(shè)置

為確定各泄漏模型邊界條件首先對(duì)無(wú)泄漏流場(chǎng)模型進(jìn)行模擬，入口采用速度邊界入口，速度值為1 m/s，流場(chǎng)出口采用壓力出口邊界條件，靜壓強(qiáng)值從100000 Pa到600000 Pa，梯度為100000 Pa，模擬結(jié)果如表1。

輸水管道彎頭泄漏模型入口邊界條件選用壓力入口邊界條件，模型總壓強(qiáng)值分別設(shè)置表1中入口總壓強(qiáng)值；流場(chǎng)出口選用壓力出口邊界條件，靜壓強(qiáng)值分別設(shè)置表1中對(duì)應(yīng)的靜壓強(qiáng)值。

管道壁面條件均選用靜止壁面邊界條件，管壁粗糙高度0.1 mm，泄漏孔壁面條件都選用靜止壁面邊界條件，假設(shè)孔壁為光滑孔壁粗糙高度為0。

2.1.3 模型計(jì)算方法的選擇

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對(duì)內(nèi)流模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離散格式采用二階離散格式，算法采用SIMPLE算法，其余采用fluent默認(rèn)設(shè)置。

2.2 模擬結(jié)果與分析

表2內(nèi)符號(hào)含義：

V1、V2、V3—流場(chǎng)入口、流場(chǎng)出口、泄漏孔處面積加權(quán)平均速度；

ΔΡ—流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差；

η—泄漏率。

輸水管道彎頭泄漏流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如表2。

模擬數(shù)據(jù)顯示，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與流場(chǎng)入口速度呈正相關(guān)，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差的增大使流場(chǎng)入口速度增大，且泄漏后上游速度要比無(wú)泄漏管道輸送速度大；雖然流場(chǎng)入口速度逐漸變大，但管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與泄漏速度呈正相關(guān)，泄漏速度變大的幅度比流場(chǎng)入口速度變大幅度大且泄漏孔徑一定，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與泄漏率呈正相關(guān)，與流場(chǎng)出口速度呈負(fù)相關(guān)；管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差呈負(fù)相關(guān)，泄漏流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差與無(wú)泄漏時(shí)流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差的差值逐漸變大。

3 結(jié)論

建立由伯努利方程、連續(xù)性方程等方程組成的方程組對(duì)液體管道彎頭泄漏模型進(jìn)行研究，分析結(jié)果表明當(dāng)上游液體總壓強(qiáng)、下游液體靜壓強(qiáng)一定時(shí)，影響泄漏后流場(chǎng)入口速度、流場(chǎng)出口速度、泄漏速度、流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差等流場(chǎng)特性參數(shù)的主要因素有管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差、泄漏孔直徑大小、無(wú)泄漏時(shí)管道輸送速度等。

基于FLUENT的輸水管道彎頭漏流場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表明當(dāng)流場(chǎng)入口總壓強(qiáng)、流場(chǎng)出口靜壓強(qiáng)一定時(shí)，管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與流場(chǎng)入口速度、泄漏速度、泄漏率呈正相關(guān)，且泄漏孔上游速度比無(wú)泄漏時(shí)管道輸送速度大；管道內(nèi)外靜壓強(qiáng)差與流場(chǎng)出口速度、流場(chǎng)入出口壓強(qiáng)差呈負(fù)相關(guān)，泄漏流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差與無(wú)泄漏時(shí)流場(chǎng)入出口靜壓強(qiáng)差的差值逐漸變大。

參考文獻(xiàn)

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