液体管道弯头泄漏建模与仿真研究

马弘毅 闫宏伟 李昕 陈伶

摘 要：由伯努利方程、连续性方程等方程组成的方程组表明当流场入口总压强、流场出口静压强一定时，管道内外静压强差、泄漏孔直径大小、无泄漏时管道输送速度等将影响泄漏流场特性。基于FLUENT的输水管道弯头漏流场数值模拟数据表明当流场入口总压强、流场出口静压强一定时，管道内外静压强差与流场入口速度、泄漏速度、泄漏率呈正相关，与流场出口速度、流场入出口压强差呈负相关。输水管道弯头泄漏流场研究以及数值模拟所得结果将为液体管道的泄漏检测、定位技术研究提供重要参考。

关键词：液体管道 弯管泄漏 数值模拟 仿真模型

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0008-02

管道运输给生产生活带来便利的同时也因其泄漏事故带来了经济损失、环境污染甚至是对人民生命财产的严重威胁[1，2]。液体管道泄漏检测、定位的方法虽然多样，但由于管道运输系统结构、工况复杂现在并没有一种普适的方法[3]。当管道始端或者末端装有油罐等设备时，这些设备会将管道一端或者两端的压强值钳制在固定值上，一些检测定位方法将无法使用[4]。弯头是管道运输系统重要组成部分[5]，泄漏事故时有发生。流场入口总压强一定、流场出口静压强一定条件下液体管道弯头泄漏流场特性的研究以及数值模拟所得数据将为管道泄漏的检测、定位技术研究提供重要参考。

1 液体管道弯头泄漏影响因素分析

建立液体管道弯头泄漏模型如图1，管道为玻璃钢夹砂管，管道内径1 m，根据GB T21238-2007管壁厚0.013 m，90o弯头曲率半径为1.5 m，管道壁面绝对粗糙度0.01 mm，假设泄漏孔直径为0.1 m且孔壁光滑，直管部分长度都为50 m，流场内液体流动稳定，流场入口总压强、出口静压强一定，管道水平，暂不考虑能量交换影响。

建立泄漏流场的伯努利方程、系统连续性方程如下：

其中：V1、V2、V3—流场入口、流场出口、泄漏孔处速度；

P1、P2、P3—流场入口、流场出口、泄漏孔处静压强；

H1、H2、H3—流场入口、流场出口、泄漏孔高度；

hf2、hf3—流体从流场入口流到流场出口的水头损失、流体从流场入口流到泄漏孔处的水头损失，其值与管道内流体流速、管道长度、壁面绝对粗糙高度等因素有关[6]；

A1、A2、A3—流场入口、流场出口、泄漏孔处面积，根据已知条件有：

（4）

（5）

其中：D1—管道直徑；

D3—泄漏孔直径。

（6）

方程（1）、（2）、（3）变换后如下：

（7）

（8）

方程（5）-（8）表明，当流场入口总压强、流场出口静压强一定时，影响泄漏后流场入口速度、流场出口速度、泄漏速度、流场入出口静压强差等流场特性参数的主要因素有管道内外静压强差、泄漏孔直径、无泄漏时管道输送速度等。为研究管道内外静压强差单一变化对管道弯头泄漏后流场特性的影响，假设图1中管道运输介质为水，泄漏前管道输送速度为1 m/s，利用在计算流体领域中应用比较广泛的FLUENT软件[7]对弯头泄漏流场进行数值模拟。

2 基于FLUENT的输水管道弯头泄漏流场仿真

2.1 仿真模型的建立与计算

2.1.1 理论模型的选择

模介质模型选用单相不可压缩牛顿流体模型，运动模型选用惯性系下的三维定常不可压缩湍流流动模型，湍流模型选用能较好模拟管内流动的Realizable k-ε湍流模型[8]。

2.1.2 边界条件的设置

为确定各泄漏模型边界条件首先对无泄漏流场模型进行模拟，入口采用速度边界入口，速度值为1 m/s，流场出口采用压力出口边界条件，静压强值从100000 Pa到600000 Pa，梯度为100000 Pa，模拟结果如表1。

输水管道弯头泄漏模型入口边界条件选用压力入口边界条件，模型总压强值分别设置表1中入口总压强值；流场出口选用压力出口边界条件，静压强值分别设置表1中对应的静压强值。

管道壁面条件均选用静止壁面边界条件，管壁粗糙高度0.1 mm，泄漏孔壁面条件都选用静止壁面边界条件，假设孔壁为光滑孔壁粗糙高度为0。

2.1.3 模型计算方法的选择

采用结构网格划分方法对内流模型进行网格划分，离散格式采用二阶离散格式，算法采用SIMPLE算法，其余采用fluent默认设置。

2.2 模拟结果与分析

表2内符号含义：

V1、V2、V3—流场入口、流场出口、泄漏孔处面积加权平均速度；

ΔΡ—流场入出口静压强差；

η—泄漏率。

输水管道弯头泄漏流场数值模拟结果如表2。

模拟数据显示，管道内外静压强差与流场入口速度呈正相关，管道内外静压强差的增大使流场入口速度增大，且泄漏后上游速度要比无泄漏管道输送速度大；虽然流场入口速度逐渐变大，但管道内外静压强差与泄漏速度呈正相关，泄漏速度变大的幅度比流场入口速度变大幅度大且泄漏孔径一定，管道内外静压强差与泄漏率呈正相关，与流场出口速度呈负相关；管道内外静压强差与流场入出口静压强差呈负相关，泄漏流场入出口静压强差与无泄漏时流场入出口静压强差的差值逐渐变大。

3 结论

建立由伯努利方程、连续性方程等方程组成的方程组对液体管道弯头泄漏模型进行研究，分析结果表明当上游液体总压强、下游液体静压强一定时，影响泄漏后流场入口速度、流场出口速度、泄漏速度、流场入出口静压强差等流场特性参数的主要因素有管道内外静压强差、泄漏孔直径大小、无泄漏时管道输送速度等。

基于FLUENT的输水管道弯头漏流场数值模拟数据表明当流场入口总压强、流场出口静压强一定时，管道内外静压强差与流场入口速度、泄漏速度、泄漏率呈正相关，且泄漏孔上游速度比无泄漏时管道输送速度大；管道内外静压强差与流场出口速度、流场入出口压强差呈负相关，泄漏流场入出口静压强差与无泄漏时流场入出口静压强差的差值逐渐变大。

参考文献

[1] 李朝阳，马贵阳.高含硫天然气管道泄漏数值模拟[J].化学工程，2011， 39（7）：88-92.

[2] 贾雪松.基于CFD的热油管道数值模拟[D].大庆：大庆石油学院，2010.

[3] 黄建萍.基于水力仿真的输油管道泄漏检测技术研究[D].成都：西南石油大学， 2007.

[4] 孙良.基于模型的油气管道泄漏检测与定位方法研究[D].北京：北京化工大学， 2010.

[5] 张浩，鹿晓阳，张建，等.流体在弯管内壁面压强分布研究[J].山东建筑大学学报， 2012， 27（2）：172-175.

[6] 林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学[M].2版.北京：清华大学出版社， 2013：281.

[7] 孙邦成，李明高，李明，等.ANSYS FLUENT 14.0仿真分析与优化设计[M].北京：机械工业出版社， 2014：42.

[8] 张师帅.计算流体动力学及其应用：CFD软件的原理与应用[M].武汉：华中科技大学出版社， 2011：86.