船用渐缩管泄漏的建模与仿真研究

王艳 印洪浩 李鑫

摘 要：船舶管系结构复杂且管线长，管道发生小孔泄漏时不易察觉。本文利用Fluent软件对船用渐缩管出现小孔泄漏时管道内流体的流动情况进行数值模拟分析，从而为船用渐缩管小孔泄漏检测技术提供参考。研究表明：当流体入口速度、泄漏孔孔径不变时，泄漏孔位置距离渐缩管入口越远，泄漏量越小，泄漏孔处压力损失也越小;泄漏孔位置的改变不会影响泄漏孔处速度变化的趋势。当泄漏孔位置、孔径不变时，提高流体入口速度，泄漏量随之增加，泄漏孔处压力及速度损失也增大。流体入口速度变化对泄漏孔处压力及速度造成的影响要比泄漏孔位置改变对其影响较大。

关键词：渐缩管;小孔泄漏;数值模拟

中图分类号：U664.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）34-0103-04

Research on Modeling and Simulation of Ships Tapered Pipe Leakage

WANG Yan YIN Honghao LI Xin

（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400000）

Abstract： The ship's piping system has a complicated structure and long pipelines， and it is difficult to detect the leakage of small holes in the pipeline. Fluent software was used to conduct numerical simulation analysis of the fluid flow in the pipeline when the small hole leakage occurs in the marine reducer， so as to provide a reference for the small hole leakage detection technology of the marine reducer. Studies have shown that when the fluid inlet velocity and the leak hole diameter remain unchanged， the farther the leak hole is from the reducer inlet， the smaller the leakage and the smaller the pressure loss at the leak hole; the leak hole The trend of speed change will not be affected by the change of the leak hole position. When the position and diameter of the leak hole remain unchanged， increasing the fluid inlet velocity will increase the leakage and the pressure and velocity loss at the leak hole. The influence of fluid inlet velocity change on the pressure and velocity at the leak hole is greater than that of the change in the position of the leak hole.

Keywords： tapered pipe;small hole leakage;numerical simulation

1 研究背景

船舶管网是保证船舶正常运行且专用于输送流体的设备。在船舶运行过程中，由于船舶管系子系统多，管道布设路线长且多变，按照实际需求，连接方式各不相同，因此船舶运行中管道经常会发生泄漏。当管道泄漏孔为圆形且泄漏孔的直径与管道直径的比小于等于0.1时，定义为小孔泄漏[1]。船舶管道使用的时间较长，承载的不同流体会对管道进行腐蚀，从而使得管道出现小孔泄漏。由于小孔泄漏很难引起管道内流体的运动状态的变化，因此在船舶运行过程中往往不易察觉，这使得船舶管道泄漏的检测定位更加困难。因此，对船舶管道出现的小孔泄漏進行分析研究具有重要意义。

国内外学者对管道泄漏流动特性进行了多方面研究。Woodward等人对管道发生气体泄漏的情况进行了理论分析，提出了把泄漏量与管道内外压力的比值作为临界值，在计算管道泄漏量时选择对应的计算公式[2]。张维针对管道承载液体时出现的小孔泄漏推导出了相应的计算模型，提出了以管壁应力-应变分析为基础的输油管道微小泄漏检测的方法[3]。李娟等学者提出了一种基于时频峰值滤波的压力波噪声抑制方法，并将该滤波算法与基于压力差衰减的定位算法相结合，达到对管道泄漏精准定位的目的[4]。郎宪明等针对采用负压波法进行流体管道泄漏点定位时，泄漏声波到达管道首末站时间差不易准确获取，造成泄漏点定位误差较大的问题，提出了一种基于声速差值的流体管道泄漏点定位无损检测方法。结果表明，该方法的流体管道泄漏点的定位误差最小达到0.245%[5]。

本文采用Fluent软件，对船舶管系中常用的渐缩管发生小孔泄漏的现象进行数值模拟研究。通过对所得结果进行比较分析，得出了两种不同情况下，船用渐缩管发生小孔泄漏时流体流经泄漏孔时所产生的变化情况。

2 几何模型

图1为本文所使用的船用渐缩管发生小孔泄漏时的几何模型。渐缩管厚度均为2 mm，流体以一定的速度由inlet入口流入，从outlet1出口流出，泄漏孔为outlet2，大管径管道直径为400 mm，小管径管道直径为280 mm。[L]为泄漏孔到小管径段入口的距离。

3 数学模型

管道内流体的流动状态是不规则的非定常流动，设流体为不可压缩流体，处于湍流阶段，因此，这里选用[k-ε]湍流模型[6]。具体控制方程如下[7]。

连续方程：

[?ρ?t+?ρui?xi=0]                           （1）

动量方程：

[?ρui?t=?ρ?xi+??xjμ?ui?xj+?uj?xi-23δij?ul?xl+??xj-ρu'iu'j]（2）

湍动能[k]方程：

[?ρk?t=??xiμ+μtσk?k?xi+Gk+Gb-ρε]            （3）

湍動能耗散率[ε]方程：

[?ρε?t=??xiμ+μtσε?ε?xi+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k]   （4）

式（1）至式（4）中，[Gk]表示由平均速度梯度引起的湍动能;[Gb]表示由浮力引起的湍动能;[μt]为湍流黏性系数，其计算公式如式（5）所示;[C1ε=1.44]，[C2ε=1.92]，[C3ε=0.09];[σk]和[σε]分别为湍动能[k]和耗散率[k]的湍流普朗特数，[σk=1.0]，[σε=1.3]。

[μt=ρCμk2ε]                                   （5）

4 基于Fluent的渐缩管泄漏流场仿真

本文所用的船用渐缩管发生小孔泄漏时的三维模型采用SolidWorks软件建立，并将此模型导入ANSYS 19.0中，利用Fluent项目对渐缩管内部流场进行网格划分[8]。选择标准[k-ε]湍流模型，此处为不可压缩流动，因此选用SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，压力耦合方程组的半隐式方法）进行数值求解[9]。

计算过程中以水为介质。设inlet进口为速度入口;outlet1出口为压力出口，相对压强为0。考虑到重力是必不可少的影响因素，因此设[Y]轴方向的重力加速度为-9.81 m/s2;渐缩管管道壁面边界条件为光滑、无滑移的绝热型壁面[10]。分别根据不同参数设置计算渐缩管出现小孔泄漏时流体在不同条件下管道内的流场情况。

表1汇总了当船用渐缩管发生小孔泄漏，泄漏孔位于渐缩管表面的不同位置时，流体经过outlet1出口和泄漏孔处的质量流量数据的变化情况。表中流体流经渐缩管时入口速度为2 m/s，泄漏孔孔径为30 mm且二者都保持不变。由表1可以看出，当流体流经渐缩管的入口速度和泄漏孔孔径保持不变时，管道的泄漏量与泄漏孔位置距离呈负相关，即随着渐缩管表面泄漏孔的位置与管道入口距离逐渐增大，泄漏孔的泄漏量逐渐减小。

表2汇总了当船用渐缩管发生小孔泄漏，流体以不同入口速度流经管道时，经过outlet1出口和泄漏孔处的质量流量数据的变化情况。表中泄漏孔位于渐缩管小管径入口0.8 m处，泄漏孔孔径依旧为30 mm且二者都保持不变。由表2可以看出，当流体流经渐缩管时，泄漏孔的孔径及泄漏孔位于管道表面的位置保持不变时，管道的泄漏量与流体入口速度呈正相关，即随着流体流经渐缩管时的入口速度逐渐增大，泄漏孔的泄漏量也逐渐增大。

图2和图3是当船用渐缩管发生小孔泄漏，泄漏孔在渐缩管表面的位置发生变化时，泄漏孔outlet2处的轴向压强及速度变化情况。图中流体流经渐缩管时入口速度为2 m/s，泄漏孔孔径为30 mm且二者都保持不变。

由图2可以看出，当流体流经泄漏孔outlet2时，由于孔径缩小导致的局部阻力损失及沿程损失使得管道发生泄漏时泄漏孔处出现了较大的压力损失;随着泄漏孔outlet2距渐缩管小管径管段入口的距离越远，泄漏孔的轴向压力损失逐渐减小。

由图3可以看出，泄漏孔出口附近的流体流速发生了剧烈变化，由于泄漏孔孔径缩小使得出口附近的流体速度骤降。随着泄漏孔outlet2距渐缩管小管径管段入口距离的改变，泄漏孔轴向速度的变化趋势几乎没有改变。因此，泄漏孔位置的变化不是造成泄漏孔轴向速度变化趋势的影响因素。

图4和图5是当船用渐缩管发生小孔泄漏，流体入口速度发生变化时，泄漏孔outlet2处的轴向压强及速度变化情况。图中泄漏孔位于小管径管段0.8 m处，泄漏孔孔径为30 mm，二者都保持不变。

由图4可以看出，流体在流经泄漏孔outlet2时，由于孔径缩小，使得泄漏孔处出现了较大的压力损失。随着管道流体入口速度的增大，泄漏孔outlet2轴向方向上的压强随之增大，且每次增大的压强差都要比前一次略大，流体流出泄漏孔时产生的压力损失也逐渐增大。

由图5可以看出，泄漏孔outlet2附近流体流速发生了剧烈变化，受泄漏孔孔径缩小的影响，泄漏孔outlet2出口处的速度骤降。当增大渐缩管流体入口速度时，泄漏孔outlet2轴向方向上的速度也逐渐增大，其速度损失也随之增大。

由图2至图5可知，在上述条件下，相比于泄漏孔在管道表面位置的变化对泄漏孔出口处压强和速度的影响，流体入口速度的变化的对其影响程度更大。

5 结论

本文借助Fluent软件对船用渐缩管出现小孔泄漏时管道内的流体流动情况进行了数值模拟分析，并根据结果，分析讨论了渐缩管发生泄漏时泄漏孔的泄漏量及泄漏孔轴向压强与速度在流体入口速度及泄漏孔位置不同条件下的变化情况。当流体入口速度、泄漏孔孔径一定时，泄漏量与泄漏孔位置距离呈负相关，泄漏孔距流体入口距离越远，泄漏量越小;泄漏孔距渐缩管小管径管段距离越远，泄漏孔出口处压力损失越小，且改变泄漏孔在渐缩管表面的位置并不能对泄漏孔的轴向速度变化趋势造成影响。当渐缩管表面泄漏孔孔径及泄漏孔位置一定时，泄漏量与流体入口速度呈正相关，提高流体入口速度，泄漏量也随之增加，泄漏孔轴向压强及速度损失也增大。相比于泄漏孔位于渐缩管位置的变化对泄漏孔附近压强、速度的影响，流体入口速度对其影响更大。

参考文献：

[1]冯文兴，王兆芹，程五一.高压输气管道小孔与大孔泄漏模型的比较分析[J].安全与环境工程，2009（4）：108-110.

[2]Woodeward J L， Mudan K S. Liquid and gas discharge rates through holes in process vessels[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，1991（3）：161-165.

[3]张维.油港输油管道微小泄漏检测技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2018：10-43.

[4]李娟，郑强，从玉良，等.基于时频峰值滤波的管道泄漏定位算法[J].吉林大学学报（工学版），2020（4）：1517-1521.

[5]郎宪明，郭颖，高文帅，等.基于超声波声速的流体管道泄漏点定位方法[J].信息与控制，2020（5）：1-7.

[6]付道明，孙军，贺志刚.国内外管道泄漏检测技术研究进展[J].石油机械，2004（3）：48-51.

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[9]刘斌.Fluent 19.0流体仿真从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2019：87-137.

[10]胡坤，顾中浩，马海峰.ANSYS CFD疑难问题实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2017：169-256.