鐘 成 姚 強(qiáng) 鄭 凱副研究員 張曉維 郝永梅教授

(1.常州新奧燃?xì)夤こ逃邢薰?，江蘇 常州213164；2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州213164)

0 引言

城市輸送管道安全事關(guān)城市的生存與發(fā)展。隨著城市輸送管道鋪設(shè)長(zhǎng)度和管齡的增長(zhǎng)，輸送管道因腐蝕、穿孔泄漏等引起的事故不斷發(fā)生。然而，城市輸送管道大多鋪設(shè)在地下，地表的建筑物、水泥路及其他環(huán)境因素制約管道的檢測(cè)。若城市輸送管道一旦泄漏，管道泄漏檢測(cè)維修不及時(shí)會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染等危害，還可能引發(fā)爆炸和火災(zāi)，造成人員傷亡[1-2]。因此，對(duì)城市管道泄漏進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警對(duì)減少資源浪費(fèi)和人員傷亡至關(guān)重要。

現(xiàn)階段管道泄漏檢測(cè)方法有多種，大致分為管壁狀況檢測(cè)、管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和外部環(huán)境檢測(cè)[3-4]。次聲波法作為一種管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、定位精度高、檢測(cè)時(shí)間短、誤報(bào)率底、適應(yīng)性強(qiáng)等，在我國(guó)有著更為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處會(huì)引起壓力降，管道內(nèi)介質(zhì)噴出破口處摩擦管壁形成紊流而產(chǎn)生的次聲波信號(hào)將沿著管壁和介質(zhì)傳播[5]。然而，由于次聲波頻率低、傳播速度快、波長(zhǎng)長(zhǎng)等特點(diǎn)，再加上城市輸送管道運(yùn)行環(huán)境與輸送介質(zhì)的不同，造成每條輸送管道發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)也不盡相同[6-7]。此外，管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)中既攜帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的某些特征信息(泄漏孔大小和位置等)，同時(shí)又有很大的隨機(jī)性和不確定性。這些因素降低了次聲波泄漏檢測(cè)技術(shù)的可靠性，限制次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣和應(yīng)用[8]。

基于此，本文通過(guò)COMSOL軟件開展管道泄漏次聲波特性及衰減數(shù)值分析，得到不同壓力、不同泄漏孔徑下次聲波信號(hào)的頻域、幅值衰減規(guī)律，分析泄漏次聲波信號(hào)在管道中傳播規(guī)律和特點(diǎn)，以期為防范管道泄漏提供理論基礎(chǔ)。

1 管道泄漏流動(dòng)模型

1.1 管道泄漏湍流方程

氣體在管道中的泄漏過(guò)程采用COMSOL軟件進(jìn)行模擬。由于其主要涉及到湍流流動(dòng)，因此本文選用k-ε雙方程模型求解湍流，以期在節(jié)約求解資源的條件下保證模擬數(shù)值的準(zhǔn)確性[9]。

湍流脈動(dòng)動(dòng)能k方程：

(1)

湍流耗散率ε方程：

(2)

式中：

k—湍流脈動(dòng)動(dòng)能，J；

ε—湍流耗散率，%；

ρ—介質(zhì)密度，g/m3；

t—時(shí)間，s；

ui—i方向的速度，m/s；

xi—i方向的位移，m；

xj—j方向的位移，m；

μ—分子粘度，Pa·s；

μt—湍流粘度，Pa·s；

Gk—平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

Gb—浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

YM—可壓縮流體的湍流波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體耗散率的影響；

C1ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值1.44；

C2ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值1.92；

C3ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值0.99；

σk—k的普朗特常數(shù)，取值1.0；

σε—ε的普朗特常數(shù)，取值1.3；

Sk和Sε—用戶定義源項(xiàng)。

1.2 泄漏管道物理模型

本文計(jì)算對(duì)象為3D U型管道，既有直管段，也有彎管段，其較為接近城市實(shí)際管網(wǎng)。管道的基本參數(shù)如下：管道長(zhǎng)直管部份5.15m，彎管部分半徑1.7m，短直管部分0.6m，內(nèi)徑45.6mm，外徑63mm，管道壁面厚8.7mm。管段中心處設(shè)置一個(gè)泄漏點(diǎn)，本文針對(duì)管道小孔泄漏次聲波信號(hào)特征及衰減規(guī)律的數(shù)值模擬研究，泄漏點(diǎn)設(shè)置為圓柱體泄漏半徑尺寸分別設(shè)置為1、2、3mm。模型中泄漏點(diǎn)設(shè)置高度為5mm的圓柱體，其與管段部分進(jìn)行交集耦合形成聯(lián)合體。所建立的U型管道模型，如圖1。

圖1 3D 管道仿真模型示意圖

模擬工況分為2組，一組為泄漏孔徑1mm，管內(nèi)壓力分別為0.1、0.2、0.3MPa；另一組管內(nèi)壓力為0.16MPa，泄漏孔徑為1、2、3mm。泄漏過(guò)程中管道內(nèi)的流體介質(zhì)選擇空氣，管道材料設(shè)置為聚乙烯，管內(nèi)氣體的屬性設(shè)置為湍流不可壓縮流體，參考?jí)毫?01 325Pa，參考溫度為293.15K，管壁條件為無(wú)滑移，將管道流體的進(jìn)出口分別定義為流體的入口和出口，泄漏孔上方邊界條件設(shè)置為開放邊界。管道材料的相關(guān)屬性，見表1。

表1 材料屬性

1.3 邊界條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

模型采用多物理場(chǎng)耦合為聲—結(jié)構(gòu)邊界。由于管道模型較大而泄漏孔較小，為更好地進(jìn)行模擬分析，網(wǎng)格劃分采用用戶控制網(wǎng)格。管道網(wǎng)格設(shè)置為粗化，泄漏孔及周圍網(wǎng)格設(shè)置為細(xì)化。截取泄漏孔處的網(wǎng)格劃分(如圖2)，控制網(wǎng)格劃分情況，見表2。

圖2 泄漏孔處的網(wǎng)格劃分

表2 控制網(wǎng)格劃分

計(jì)算頻率設(shè)置0.01～20Hz，步長(zhǎng)為0.01Hz。物理場(chǎng)的接口選擇求解壓力聲學(xué)—頻域和殼，多物理場(chǎng)耦合選擇聲—結(jié)構(gòu)邊界求解。

2 結(jié)果分析

2.1 泄漏次聲波頻譜及幅值特征

泄漏孔徑1mm、管內(nèi)壓力分別為0.1、0.2、0.3MPa時(shí)的次聲波頻譜圖，如圖3。從圖3中可看出，不論管道壓力如何變化泄漏信號(hào)都出現(xiàn)2個(gè)聲壓級(jí)峰值范圍，即0.01～2Hz和10～12Hz。在0.01～2Hz的泄漏信號(hào)聲壓級(jí)幅值處于118～122dB，而10～12Hz的泄漏信號(hào)聲壓級(jí)幅值則處于85～98dB。隨著管道內(nèi)部壓力的增加，管道內(nèi)頻率在0.01～2Hz的次聲波信號(hào)幅值由121dB增加至128dB，頻率在10～12Hz的次聲波信號(hào)幅值從88dB增加到98dB。

(a)0.1MPa

圖4為管內(nèi)壓力0.16Mpa時(shí)泄漏孔徑分別為1、2、3mm的頻譜圖。同樣，不論管道泄漏孔徑如何變化，管道泄漏信號(hào)均出現(xiàn)2個(gè)聲壓級(jí)峰值，分別是0.01～2Hz和10～12Hz。0.01～2Hz的聲壓級(jí)幅值為125～135dB，10～12Hz的聲壓級(jí)幅值為90～100dB。隨著管道泄漏孔徑的增加，管道內(nèi)頻率在0.01～2Hz的次聲波信號(hào)幅值由126dB增加至134dB，頻率在10～12Hz的次聲波信號(hào)幅值從90dB增加到98dB。

(a)1mm

2.2 泄漏次聲波聲壓級(jí)特征

圖5給出泄漏孔徑1mm，管內(nèi)壓力分別為0.1、0.2、0.3MPa時(shí)泄漏產(chǎn)生的聲壓級(jí)分布圖。管道內(nèi)部壓力不同時(shí)，管道泄漏產(chǎn)生的聲壓級(jí)的最大值在管道內(nèi)出現(xiàn)的位置不同。當(dāng)管道內(nèi)壓力為0.1MPa時(shí)，管道內(nèi)聲壓級(jí)的最大值出現(xiàn)在距離入口5m與出口處3.5m附近的位置；當(dāng)管道內(nèi)壓力為0.2與0.3MPa時(shí)，相應(yīng)的位置則出現(xiàn)在3.8、4.6m與5、1.4m附近，且隨著管內(nèi)壓力增加聲壓級(jí)的最大值也相應(yīng)增加。

(a)0.1MPa

管內(nèi)壓力0.16Mpa，泄漏孔徑分別為1、2、3mm時(shí)得到的聲壓級(jí)分布圖，如圖6。管道泄漏孔徑不同時(shí)，管道泄漏產(chǎn)生的聲壓級(jí)的最高值在管道出現(xiàn)的位置不同。當(dāng)泄漏孔徑為1mm時(shí)，管道內(nèi)聲壓級(jí)的最大值出現(xiàn)在距離管道入口3.2m附近以及距離管道出口6m附近的位置；當(dāng)泄漏孔徑為2、3mm時(shí)，相應(yīng)的位置則分別出現(xiàn)在4.9、4m與4.5、4.5m附近。

(a)1mm

2.3 泄漏次聲波衰減規(guī)律

圖7展示泄漏孔徑1mm，管內(nèi)壓力分別為0.1、0.2、0.3MPa時(shí)管道內(nèi)的平面波總功耗密度分布。管內(nèi)壓力由0.1、0.2、0.3MPa梯度增加時(shí)平面波的總功耗密度在管道內(nèi)逐漸增大。次聲波離管道泄漏孔處的距離越大，平面波總功耗密度越小，且泄漏孔上下游的平面波總功耗密度不同。

(a)0.1MPa

管內(nèi)壓力0.16MPa，泄漏孔徑為1、2、3mm時(shí)管道內(nèi)部的平面波總功耗密度，如圖8。隨著泄漏孔徑的增大，管道由于泄漏產(chǎn)生的平面波總功耗密度也會(huì)增大，且距離泄漏孔越近，平面波總功耗密度越大，管道流動(dòng)上游的平面波總功耗密度大于下游平面波總功耗密度。

(a)孔徑1mm

3 結(jié)論

采用COMSOL數(shù)值模擬軟件構(gòu)建U型管道模型，對(duì)不同泄漏孔徑和不同壓力的管道進(jìn)行數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

(1)管道泄漏產(chǎn)生的次聲波特征頻率主要集中在0.01～2Hz和10～12Hz之間。管道內(nèi)部壓力不變，泄漏孔徑越大導(dǎo)致因泄漏產(chǎn)生的次聲波振幅越大，但泄漏孔徑的改變不會(huì)影響次聲波的特征信號(hào)頻率分布。

(2)管道壓力和管道泄漏孔徑變化都會(huì)引起聲壓級(jí)最大值的位置的改變，且泄漏孔徑一定時(shí)壓力的增加或壓力一定時(shí)泄漏孔徑的增大均會(huì)引起聲壓級(jí)的增加。

(3)管道泄漏產(chǎn)生的次聲波的平面波總功耗隨著管內(nèi)壓力與泄漏孔徑的增大而增大，管道上游的平面波總功耗密度大于下游平面波總功耗密度。