管道泄漏次声波信号特征及衰减规律的数值模拟研究

2022-11-07凯副研究员张晓维郝永梅教授

安全 2022年10期

钟成姚强郑凯副研究员张晓维郝永梅教授

(1.常州新奥燃气工程有限公司，江苏常州213164；2.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164)

0 引言

城市输送管道安全事关城市的生存与发展。随着城市输送管道铺设长度和管龄的增长，输送管道因腐蚀、穿孔泄漏等引起的事故不断发生。然而，城市输送管道大多铺设在地下，地表的建筑物、水泥路及其他环境因素制约管道的检测。若城市输送管道一旦泄漏，管道泄漏检测维修不及时会造成经济损失和环境污染等危害，还可能引发爆炸和火灾，造成人员伤亡[1-2]。因此，对城市管道泄漏进行有效监测和预警对减少资源浪费和人员伤亡至关重要。

现阶段管道泄漏检测方法有多种，大致分为管壁状况检测、管内流动状态检测和外部环境检测[3-4]。次声波法作为一种管内流动状态检测技术，具有诸多优点，如灵敏度高、定位精度高、检测时间短、误报率底、适应性强等，在我国有着更为广泛的发展和应用前景。当管道发生泄漏时，泄漏处会引起压力降，管道内介质喷出破口处摩擦管壁形成紊流而产生的次声波信号将沿着管壁和介质传播[5]。然而，由于次声波频率低、传播速度快、波长长等特点，再加上城市输送管道运行环境与输送介质的不同，造成每条输送管道发生泄漏所产生的次声波信号也不尽相同[6-7]。此外，管道泄漏产生的次声波信号中既携带系统结构中的某些特征信息(泄漏孔大小和位置等)，同时又有很大的随机性和不确定性。这些因素降低了次声波泄漏检测技术的可靠性，限制次声波泄漏监测技术的推广和应用[8]。

基于此，本文通过COMSOL软件开展管道泄漏次声波特性及衰减数值分析，得到不同压力、不同泄漏孔径下次声波信号的频域、幅值衰减规律，分析泄漏次声波信号在管道中传播规律和特点，以期为防范管道泄漏提供理论基础。

1 管道泄漏流动模型

1.1 管道泄漏湍流方程

气体在管道中的泄漏过程采用COMSOL软件进行模拟。由于其主要涉及到湍流流动，因此本文选用k-ε双方程模型求解湍流，以期在节约求解资源的条件下保证模拟数值的准确性[9]。

湍流脉动动能k方程：

(1)

湍流耗散率ε方程：

(2)

式中：

k—湍流脉动动能，J；

ε—湍流耗散率，%；

ρ—介质密度，g/m3；

t—时间，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—平均速度梯度产生的湍流动能，J；

Gb—浮力产生的湍流动能，J；

YM—可压缩流体的湍流波动扩张对整体耗散率的影响；

C1ε—经验常数，取值1.44；

C2ε—经验常数，取值1.92；

C3ε—经验常数，取值0.99；

σk—k的普朗特常数，取值1.0；

σε—ε的普朗特常数，取值1.3；

Sk和Sε—用户定义源项。

1.2 泄漏管道物理模型

本文计算对象为3D U型管道，既有直管段，也有弯管段，其较为接近城市实际管网。管道的基本参数如下：管道长直管部份5.15m，弯管部分半径1.7m，短直管部分0.6m，内径45.6mm，外径63mm，管道壁面厚8.7mm。管段中心处设置一个泄漏点，本文针对管道小孔泄漏次声波信号特征及衰减规律的数值模拟研究，泄漏点设置为圆柱体泄漏半径尺寸分别设置为1、2、3mm。模型中泄漏点设置高度为5mm的圆柱体，其与管段部分进行交集耦合形成联合体。所建立的U型管道模型，如图1。

图1 3D 管道仿真模型示意图

模拟工况分为2组，一组为泄漏孔径1mm，管内压力分别为0.1、0.2、0.3MPa；另一组管内压力为0.16MPa，泄漏孔径为1、2、3mm。泄漏过程中管道内的流体介质选择空气，管道材料设置为聚乙烯，管内气体的属性设置为湍流不可压缩流体，参考压力为101 325Pa，参考温度为293.15K，管壁条件为无滑移，将管道流体的进出口分别定义为流体的入口和出口，泄漏孔上方边界条件设置为开放边界。管道材料的相关属性，见表1。

表1 材料属性

1.3 边界条件设置与网格划分

模型采用多物理场耦合为声—结构边界。由于管道模型较大而泄漏孔较小，为更好地进行模拟分析，网格划分采用用户控制网格。管道网格设置为粗化，泄漏孔及周围网格设置为细化。截取泄漏孔处的网格划分(如图2)，控制网格划分情况，见表2。

图2 泄漏孔处的网格划分

表2 控制网格划分

计算频率设置0.01～20Hz，步长为0.01Hz。物理场的接口选择求解压力声学—频域和壳，多物理场耦合选择声—结构边界求解。

2 结果分析

2.1 泄漏次声波频谱及幅值特征

泄漏孔径1mm、管内压力分别为0.1、0.2、0.3MPa时的次声波频谱图，如图3。从图3中可看出，不论管道压力如何变化泄漏信号都出现2个声压级峰值范围，即0.01～2Hz和10～12Hz。在0.01～2Hz的泄漏信号声压级幅值处于118～122dB，而10～12Hz的泄漏信号声压级幅值则处于85～98dB。随着管道内部压力的增加，管道内频率在0.01～2Hz的次声波信号幅值由121dB增加至128dB，频率在10～12Hz的次声波信号幅值从88dB增加到98dB。

(a)0.1MPa

图4为管内压力0.16Mpa时泄漏孔径分别为1、2、3mm的频谱图。同样，不论管道泄漏孔径如何变化，管道泄漏信号均出现2个声压级峰值，分别是0.01～2Hz和10～12Hz。0.01～2Hz的声压级幅值为125～135dB，10～12Hz的声压级幅值为90～100dB。随着管道泄漏孔径的增加，管道内频率在0.01～2Hz的次声波信号幅值由126dB增加至134dB，频率在10～12Hz的次声波信号幅值从90dB增加到98dB。

(a)1mm

2.2 泄漏次声波声压级特征

图5给出泄漏孔径1mm，管内压力分别为0.1、0.2、0.3MPa时泄漏产生的声压级分布图。管道内部压力不同时，管道泄漏产生的声压级的最大值在管道内出现的位置不同。当管道内压力为0.1MPa时，管道内声压级的最大值出现在距离入口5m与出口处3.5m附近的位置；当管道内压力为0.2与0.3MPa时，相应的位置则出现在3.8、4.6m与5、1.4m附近，且随着管内压力增加声压级的最大值也相应增加。

(a)0.1MPa

管内压力0.16Mpa，泄漏孔径分别为1、2、3mm时得到的声压级分布图，如图6。管道泄漏孔径不同时，管道泄漏产生的声压级的最高值在管道出现的位置不同。当泄漏孔径为1mm时，管道内声压级的最大值出现在距离管道入口3.2m附近以及距离管道出口6m附近的位置；当泄漏孔径为2、3mm时，相应的位置则分别出现在4.9、4m与4.5、4.5m附近。