液體管不同寬度微小縫隙泄漏數(shù)值模擬研究

石志標(biāo)，孫 宇

(東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

液體管不同寬度微小縫隙泄漏數(shù)值模擬研究

石志標(biāo)，孫 宇

(東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了給聲波檢測的基礎(chǔ)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，以便提高聲波法檢測液體管道泄漏的準(zhǔn)確性，應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行了不同縫隙寬度的液體管道泄漏數(shù)值模擬，得到在入口壓力一定的情況下，縫隙寬度發(fā)生變化時(shí)泄漏位置的流場和壓力場變化，研究其對泄漏發(fā)聲的影響。結(jié)果表明：隨著泄漏縫隙寬度的增加，泄漏縫隙處空泡發(fā)聲強(qiáng)度增大；射流沖擊泄漏縫隙的壁面以及空泡腐蝕現(xiàn)象將加速泄漏縫隙的擴(kuò)展。

液體管道；微小縫隙；數(shù)值模擬

管道在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用給人們帶來方便的同時(shí)也帶來了極大的安全隱患，管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于其內(nèi)部介質(zhì)的特殊性質(zhì)極易造成火災(zāi)和爆炸等重大安全事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失并對人身安全和環(huán)境帶來極大的危害[1-2]。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，新的管道泄露檢測方法也不斷出現(xiàn)，如何能夠更好的進(jìn)行泄漏檢測，將危害降到最低成了一個(gè)急需解決的問題。目前，聲波檢測已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于液體管道泄漏檢測，但泄漏檢測誤報(bào)和漏報(bào)時(shí)有發(fā)生，如何提高檢測識別率顯得尤為重要[3]。應(yīng)用Ansys軟件對管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏縫隙處的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并對不同縫隙寬度的泄漏流場進(jìn)行比較，對進(jìn)一步進(jìn)行泄漏檢測研究提供了理論指導(dǎo)。

1 物理模型

實(shí)驗(yàn)過程中，通過格蘭富公司生產(chǎn)的CM10型水泵對管道系統(tǒng)進(jìn)行供水；為了降低泵出口位置的水流對泄漏位置的擾動(dòng)，在泵與泄漏管之間用長2 m的Φ32鋼管連接；泄漏管的出口端采用軟管連接，以便出口端排出的水回流至水箱；通過更換泄漏管來實(shí)現(xiàn)縫隙寬度的改變，調(diào)節(jié)調(diào)壓伐來改變管道系統(tǒng)內(nèi)部壓力。

為了使數(shù)值模擬的結(jié)果能夠滿足試驗(yàn)條件的要求，建立物理模型時(shí)只截取一段泄漏管道進(jìn)行研究，并采用1∶1的模型比例，管道的具體參數(shù)為：長度500 mm，管內(nèi)徑32 mm，管外徑38 mm，壁厚3 mm，泄漏縫隙長度10 mm，泄漏縫隙距離管道兩端245 mm，泄漏縫隙寬度分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm。

實(shí)體建模示例，如圖1所示。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了能夠更好的模擬和分析泄漏位置處的流場變化情況，對泄漏縫隙處進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。

圖1 物理模型實(shí)體建模圖示

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型假設(shè)

(1)管內(nèi)部介質(zhì)為水，管外部介質(zhì)為空氣。

(2)內(nèi)部介質(zhì)水具有不可壓縮性，其他性質(zhì)不變。

(3)內(nèi)部介質(zhì)從泄漏縫隙流出時(shí)，外部空間為無限大。

2.2 控制方程選擇

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，為了能夠更好的模擬內(nèi)部流場選擇湍流模型為運(yùn)動(dòng)模型，湍流模型選擇k-ε模型，其控制方程[4]為：

紊動(dòng)能方程

(1)

紊流耗散方程

(2)

式中：左端為ε的變化率，右端第一項(xiàng)為產(chǎn)生項(xiàng)，第二項(xiàng)為紊流擴(kuò)散項(xiàng)，第三項(xiàng)和第四項(xiàng)為耗散項(xiàng)。

應(yīng)用k-ε方程能夠很好的解決湍流計(jì)算中方程不封閉的問題，應(yīng)用的k-ε模型通過湍流黏性系數(shù)的函數(shù)來表示雷諾應(yīng)力，而湍動(dòng)能和能量耗散率又可以表示出黏性系數(shù)，從而很好的封閉方程。大量的工程實(shí)際應(yīng)用表明，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有很好的預(yù)測能力，并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定[5]。

2.3 邊界條件設(shè)置

(1)管道入口處的邊界條件為壓力入口。

(2)管道出口處的邊界條件為開放性壓力出口，以確保流體能夠順利的流出。當(dāng)流體流出管體時(shí)，直接進(jìn)入空氣中，所以壓力出口的壓力設(shè)置為環(huán)境大氣壓。

(3)管道泄漏處的邊界條件為開放性壓力出口，壓力大小為環(huán)境大氣壓。

(4)管體的邊界條件為絕熱無滑移，應(yīng)用可以促進(jìn)模擬的收斂性和準(zhǔn)確性的Scalable函數(shù)[6]作為近壁位置的壁面函數(shù)。

2.4 求解方法

應(yīng)用CFX軟件進(jìn)行求解的過程，就是殘差的比較過程。當(dāng)殘差值小于一定值時(shí)，認(rèn)定求解的結(jié)果可以描述所要求解的模型，本文采用差分格式中的迎風(fēng)模式進(jìn)行求解運(yùn)算，該模式在進(jìn)行湍流模型運(yùn)算時(shí)具有很好的收斂性，同時(shí)設(shè)定最大殘差值為1×10-5，該精度為超精確收斂，對于一般的幾何敏感問題都能夠得到很好的解決[7]。

3 模擬結(jié)果及分析

選定入口壓力為0.6 MP分別對縫隙寬度為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以比較當(dāng)入口壓力一定時(shí)，縫隙寬度變化時(shí)內(nèi)部流場的變化情況。

3.1 泄漏縫隙處的速度分布

圖2、圖3、圖4分別為入口壓力一定時(shí)0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm寬度的縫隙泄漏位置的速度矢量圖。從圖中可以看出，當(dāng)入口壓力一定泄漏縫隙的寬度發(fā)生變化時(shí)，管道內(nèi)部的速度矢量情況基本不變，主流體受泄漏影響較小，主要是泄漏位置處近壁面流體在管道內(nèi)外壓差的作用下向外流出，但由于流速較高致使泄漏液體不能迅速的流出泄漏縫隙從而沖擊泄漏縫隙壁面，泄漏流體在經(jīng)過泄漏縫隙向外流出的過程中一部分流體直接沖擊泄漏縫隙壁面從而產(chǎn)生速度瞬間停滯，其余流體則分別沿著泄漏縫隙壁面向上和向下流動(dòng)。當(dāng)管道內(nèi)主流體流速很高的時(shí)候，管道內(nèi)部介質(zhì)在發(fā)生泄漏時(shí)只沿著靠近出口端的泄漏縫隙壁面流出，而不是在整個(gè)泄漏縫隙均有液體流出。

圖2 縫隙寬度0.2 mm速度矢量圖

圖3 縫隙寬度0.4 mm速度矢量圖

圖4 縫隙寬度0.6 mm速度矢量圖

圖5 縫隙寬度0.2 mm壓力分布

圖6 縫隙寬度0.4 mm壓力分布圖

圖7 縫隙寬度0.6 mm壓力分布圖

3.2 縫隙泄漏處的壓力分布

圖5、圖6、圖7分別為入口壓力一定時(shí)0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm寬度的縫隙泄漏位置的壓力分布圖。對比三種縫隙寬度下的壓力分布圖可以看出，當(dāng)縫隙寬度發(fā)生變化時(shí)，管內(nèi)部整體壓力場變化較小，在泄漏位置處由于主體流速較高慣性較大，在內(nèi)外壓差的作用下向管外部流出時(shí)不能及時(shí)改變流動(dòng)方向從而沖擊泄漏縫隙壁面，沖擊到縫隙壁面時(shí)產(chǎn)生瞬間的速度停滯，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢能，造成了高壓核心區(qū)的形成；而當(dāng)泄漏位置處形成穩(wěn)定射流后，射流周圍在卷吸作用下產(chǎn)生漩渦，漩渦中心處的壓力相對較低，越靠近射流主體卷吸作用越強(qiáng)，壓力越低，從而形成低壓核心區(qū)。

入口壓力一定時(shí)，隨著泄漏縫隙寬度的逐漸增大，泄漏位置處的高壓區(qū)范圍隨之增大，同時(shí)高壓區(qū)內(nèi)部壓力值也隨之增大，泄漏縫隙壁面上的最高壓力可達(dá)到入口壓力的三倍，長時(shí)間的高壓沖擊使泄漏縫隙的擴(kuò)展速度大大增加。同時(shí)，泄漏位置處的低壓區(qū)范圍隨著縫隙寬度的增大而增大，低壓區(qū)的壓力隨之降低，當(dāng)局部區(qū)域內(nèi)的壓力降到相應(yīng)溫度下液體介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化核，當(dāng)空化核的半徑大于臨界半徑時(shí)將失穩(wěn)發(fā)生空化效應(yīng)[8-9]。

當(dāng)空泡進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生空泡潰滅發(fā)聲，我國學(xué)者黃景泉給出了單個(gè)空泡潰滅表達(dá)式[10]：

式中：R為空泡潰滅階段半徑；P為未受擾動(dòng)處的液體壓力；PV為泡內(nèi)蒸汽壓力；p1為潰滅起始時(shí)的泡內(nèi)空氣壓力；γ為絕熱系數(shù)；R0為潰滅起始時(shí)刻的空泡半徑；T為表面張力為液體溫度。

由上式可知，R0當(dāng)和T一定時(shí)，空泡潰滅的發(fā)聲強(qiáng)度隨著未受到擾動(dòng)處的液體壓力的增大而增大；同時(shí)，隨著低壓區(qū)范圍的增大，低壓區(qū)內(nèi)的空泡數(shù)目增多，進(jìn)而同時(shí)潰滅時(shí)空泡噪聲幅值疊加造成聲強(qiáng)增大?？栈?yīng)同時(shí)伴隨著空化氣蝕，在空化氣蝕的作用下會(huì)加速壓力管道的破壞。

3.3 縫隙泄漏處的耦合分析

以泄漏縫隙寬度為0.6 mm的耦合分析結(jié)果為例，從圖8中可以清晰的看出，當(dāng)發(fā)生微小泄漏的時(shí)候，管內(nèi)液體對管整體的應(yīng)力作用比較小，但是在泄漏縫隙兩側(cè)存在著明顯的應(yīng)力集中，泄漏縫隙處的應(yīng)力變化范圍為0.996 09 MP到4.640 2 MP，普遍高于管內(nèi)液體壓力，應(yīng)力最大處的應(yīng)力值可達(dá)到管內(nèi)壓力的7倍，其中應(yīng)力最大的位置為管內(nèi)流體瞬時(shí)沖擊泄漏縫隙壁面位置。

圖8 縫隙寬度0.6 mm應(yīng)力分布圖

圖9 縫隙寬度0.6 mm形變圖

圖9為流體模擬結(jié)果加載于管體模型上的形變結(jié)果，從圖中可以明顯看出，泄漏縫隙在流體壓力作用下，靠近管體出口端的縫隙發(fā)生了明顯的沿管體徑向的擴(kuò)張，使得原本規(guī)則的直線邊界變?yōu)闄E圓形邊界。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)入口壓力一定時(shí)，隨著泄漏縫隙寬度的增加，管道內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)速度隨之增大，泄漏縫隙處的高壓區(qū)和低壓區(qū)的范圍增大。

(2)隨著低壓區(qū)內(nèi)部壓力的降低，泄漏縫隙處空泡發(fā)聲的聲強(qiáng)增大；隨著低壓區(qū)范圍的增大，泄漏縫隙處產(chǎn)生的空泡個(gè)數(shù)隨之增多從而使空泡發(fā)聲的聲強(qiáng)隨之增大。

(3)泄漏縫隙處的射流持續(xù)沖擊泄漏縫隙的壁面以及負(fù)壓區(qū)內(nèi)空泡腐蝕現(xiàn)象將加速泄漏縫隙的擴(kuò)展。

(4)在泄漏縫隙的兩端存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值普遍高于管內(nèi)壓力值；并且泄漏縫隙在應(yīng)力作用下發(fā)生沿管徑方向的形變。

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Numerical Simulation of Liquid Pipeline Gap Leakage Under Different Width

Shi Zhibiao,Sun Yu

(School of Mechanical Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In order to provide a theoretical guidance for the basic application research of acoustic detection and improve the accuracy of liquid pipeline leakage detection with acoustic wave detector，liquid pipeline leakage under different gap width has been simulated by ANSYS，obtained the changes of flow field and pressure field in the case of inlet pressure constant and the leak gap width changes，study its effect on the sound of the leak.The result show that the strength of vacuoles sound will grow with the changes of leak gap width，the spread of leak gap will accelerate because of jet attack the wall of leak gap and cavitation corrosion.

Liquid pipeline；Small gap；Numerical simulation

2016-04-12

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20100506)

石志標(biāo)(1960-)，男，博士，教授，主要研究方向：機(jī)械故障診斷.

1005-2992(2017)01-0075-05

TK730

A

電子郵箱： 1726155644@qq.com(石志標(biāo))；908059024@qq.com(孫宇)