船用漸縮管泄漏的建模與仿真研究

王艷 印洪浩 李鑫

摘 要：船舶管系結(jié)構(gòu)復(fù)雜且管線長(zhǎng)，管道發(fā)生小孔泄漏時(shí)不易察覺(jué)。本文利用Fluent軟件對(duì)船用漸縮管出現(xiàn)小孔泄漏時(shí)管道內(nèi)流體的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而為船用漸縮管小孔泄漏檢測(cè)技術(shù)提供參考。研究表明：當(dāng)流體入口速度、泄漏孔孔徑不變時(shí)，泄漏孔位置距離漸縮管入口越遠(yuǎn)，泄漏量越小，泄漏孔處壓力損失也越小;泄漏孔位置的改變不會(huì)影響泄漏孔處速度變化的趨勢(shì)。當(dāng)泄漏孔位置、孔徑不變時(shí)，提高流體入口速度，泄漏量隨之增加，泄漏孔處壓力及速度損失也增大。流體入口速度變化對(duì)泄漏孔處壓力及速度造成的影響要比泄漏孔位置改變對(duì)其影響較大。

關(guān)鍵詞：漸縮管;小孔泄漏;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U664.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

船舶管網(wǎng)是保證船舶正常運(yùn)行且專用于輸送流體的設(shè)備。在船舶運(yùn)行過(guò)程中，由于船舶管系子系統(tǒng)多，管道布設(shè)路線長(zhǎng)且多變，按照實(shí)際需求，連接方式各不相同，因此船舶運(yùn)行中管道經(jīng)常會(huì)發(fā)生泄漏。當(dāng)管道泄漏孔為圓形且泄漏孔的直徑與管道直徑的比小于等于0.1時(shí)，定義為小孔泄漏[1]。船舶管道使用的時(shí)間較長(zhǎng)，承載的不同流體會(huì)對(duì)管道進(jìn)行腐蝕，從而使得管道出現(xiàn)小孔泄漏。由于小孔泄漏很難引起管道內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，因此在船舶運(yùn)行過(guò)程中往往不易察覺(jué)，這使得船舶管道泄漏的檢測(cè)定位更加困難。因此，對(duì)船舶管道出現(xiàn)的小孔泄漏進(jìn)行分析研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道泄漏流動(dòng)特性進(jìn)行了多方面研究。Woodward等人對(duì)管道發(fā)生氣體泄漏的情況進(jìn)行了理論分析，提出了把泄漏量與管道內(nèi)外壓力的比值作為臨界值，在計(jì)算管道泄漏量時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式[2]。張維針對(duì)管道承載液體時(shí)出現(xiàn)的小孔泄漏推導(dǎo)出了相應(yīng)的計(jì)算模型，提出了以管壁應(yīng)力-應(yīng)變分析為基礎(chǔ)的輸油管道微小泄漏檢測(cè)的方法[3]。李娟等學(xué)者提出了一種基于時(shí)頻峰值濾波的壓力波噪聲抑制方法，并將該濾波算法與基于壓力差衰減的定位算法相結(jié)合，達(dá)到對(duì)管道泄漏精準(zhǔn)定位的目的[4]。郎憲明等針對(duì)采用負(fù)壓波法進(jìn)行流體管道泄漏點(diǎn)定位時(shí)，泄漏聲波到達(dá)管道首末站時(shí)間差不易準(zhǔn)確獲取，造成泄漏點(diǎn)定位誤差較大的問(wèn)題，提出了一種基于聲速差值的流體管道泄漏點(diǎn)定位無(wú)損檢測(cè)方法。結(jié)果表明，該方法的流體管道泄漏點(diǎn)的定位誤差最小達(dá)到0.245%[5]。

本文采用Fluent軟件，對(duì)船舶管系中常用的漸縮管發(fā)生小孔泄漏的現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出了兩種不同情況下，船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏時(shí)流體流經(jīng)泄漏孔時(shí)所產(chǎn)生的變化情況。

2 幾何模型

圖1為本文所使用的船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏時(shí)的幾何模型。漸縮管厚度均為2 mm，流體以一定的速度由inlet入口流入，從outlet1出口流出，泄漏孔為outlet2，大管徑管道直徑為400 mm，小管徑管道直徑為280 mm。[L]為泄漏孔到小管徑段入口的距離。

3 數(shù)學(xué)模型

管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)是不規(guī)則的非定常流動(dòng)，設(shè)流體為不可壓縮流體，處于湍流階段，因此，這里選用[k-ε]湍流模型[6]。具體控制方程如下[7]。

連續(xù)方程：

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

動(dòng)量方程：

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

湍動(dòng)能[k]方程：

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

湍動(dòng)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動(dòng)能;[Gb]表示由浮力引起的湍動(dòng)能;[μt]為湍流黏性系數(shù)，其計(jì)算公式如式（5）所示;[C1ε=1.44]，[C2ε=1.92]，[C3ε=0.09];[σk]和[σε]分別為湍動(dòng)能[k]和耗散率[k]的湍流普朗特?cái)?shù)，[σk=1.0]，[σε=1.3]。

[μt=ρCμk2ε]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

4 基于Fluent的漸縮管泄漏流場(chǎng)仿真

本文所用的船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏時(shí)的三維模型采用SolidWorks軟件建立，并將此模型導(dǎo)入ANSYS 19.0中，利用Fluent項(xiàng)目對(duì)漸縮管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]。選擇標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]湍流模型，此處為不可壓縮流動(dòng)，因此選用SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，壓力耦合方程組的半隱式方法）進(jìn)行數(shù)值求解[9]。

計(jì)算過(guò)程中以水為介質(zhì)。設(shè)inlet進(jìn)口為速度入口;outlet1出口為壓力出口，相對(duì)壓強(qiáng)為0。考慮到重力是必不可少的影響因素，因此設(shè)[Y]軸方向的重力加速度為-9.81 m/s2;漸縮管管道壁面邊界條件為光滑、無(wú)滑移的絕熱型壁面[10]。分別根據(jù)不同參數(shù)設(shè)置計(jì)算漸縮管出現(xiàn)小孔泄漏時(shí)流體在不同條件下管道內(nèi)的流場(chǎng)情況。

表1匯總了當(dāng)船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏，泄漏孔位于漸縮管表面的不同位置時(shí)，流體經(jīng)過(guò)outlet1出口和泄漏孔處的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)的變化情況。表中流體流經(jīng)漸縮管時(shí)入口速度為2 m/s，泄漏孔孔徑為30 mm且二者都保持不變。由表1可以看出，當(dāng)流體流經(jīng)漸縮管的入口速度和泄漏孔孔徑保持不變時(shí)，管道的泄漏量與泄漏孔位置距離呈負(fù)相關(guān)，即隨著漸縮管表面泄漏孔的位置與管道入口距離逐漸增大，泄漏孔的泄漏量逐漸減小。

表2匯總了當(dāng)船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏，流體以不同入口速度流經(jīng)管道時(shí)，經(jīng)過(guò)outlet1出口和泄漏孔處的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)的變化情況。表中泄漏孔位于漸縮管小管徑入口0.8 m處，泄漏孔孔徑依舊為30 mm且二者都保持不變。由表2可以看出，當(dāng)流體流經(jīng)漸縮管時(shí)，泄漏孔的孔徑及泄漏孔位于管道表面的位置保持不變時(shí)，管道的泄漏量與流體入口速度呈正相關(guān)，即隨著流體流經(jīng)漸縮管時(shí)的入口速度逐漸增大，泄漏孔的泄漏量也逐漸增大。

圖2和圖3是當(dāng)船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏，泄漏孔在漸縮管表面的位置發(fā)生變化時(shí)，泄漏孔o(hù)utlet2處的軸向壓強(qiáng)及速度變化情況。圖中流體流經(jīng)漸縮管時(shí)入口速度為2 m/s，泄漏孔孔徑為30 mm且二者都保持不變。

由圖2可以看出，當(dāng)流體流經(jīng)泄漏孔o(hù)utlet2時(shí)，由于孔徑縮小導(dǎo)致的局部阻力損失及沿程損失使得管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏孔處出現(xiàn)了較大的壓力損失;隨著泄漏孔o(hù)utlet2距漸縮管小管徑管段入口的距離越遠(yuǎn)，泄漏孔的軸向壓力損失逐漸減小。

由圖3可以看出，泄漏孔出口附近的流體流速發(fā)生了劇烈變化，由于泄漏孔孔徑縮小使得出口附近的流體速度驟降。隨著泄漏孔o(hù)utlet2距漸縮管小管徑管段入口距離的改變，泄漏孔軸向速度的變化趨勢(shì)幾乎沒(méi)有改變。因此，泄漏孔位置的變化不是造成泄漏孔軸向速度變化趨勢(shì)的影響因素。

圖4和圖5是當(dāng)船用漸縮管發(fā)生小孔泄漏，流體入口速度發(fā)生變化時(shí)，泄漏孔o(hù)utlet2處的軸向壓強(qiáng)及速度變化情況。圖中泄漏孔位于小管徑管段0.8 m處，泄漏孔孔徑為30 mm，二者都保持不變。

由圖4可以看出，流體在流經(jīng)泄漏孔o(hù)utlet2時(shí)，由于孔徑縮小，使得泄漏孔處出現(xiàn)了較大的壓力損失。隨著管道流體入口速度的增大，泄漏孔o(hù)utlet2軸向方向上的壓強(qiáng)隨之增大，且每次增大的壓強(qiáng)差都要比前一次略大，流體流出泄漏孔時(shí)產(chǎn)生的壓力損失也逐漸增大。

由圖5可以看出，泄漏孔o(hù)utlet2附近流體流速發(fā)生了劇烈變化，受泄漏孔孔徑縮小的影響，泄漏孔o(hù)utlet2出口處的速度驟降。當(dāng)增大漸縮管流體入口速度時(shí)，泄漏孔o(hù)utlet2軸向方向上的速度也逐漸增大，其速度損失也隨之增大。

由圖2至圖5可知，在上述條件下，相比于泄漏孔在管道表面位置的變化對(duì)泄漏孔出口處壓強(qiáng)和速度的影響，流體入口速度的變化的對(duì)其影響程度更大。

5 結(jié)論

本文借助Fluent軟件對(duì)船用漸縮管出現(xiàn)小孔泄漏時(shí)管道內(nèi)的流體流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并根據(jù)結(jié)果，分析討論了漸縮管發(fā)生泄漏時(shí)泄漏孔的泄漏量及泄漏孔軸向壓強(qiáng)與速度在流體入口速度及泄漏孔位置不同條件下的變化情況。當(dāng)流體入口速度、泄漏孔孔徑一定時(shí)，泄漏量與泄漏孔位置距離呈負(fù)相關(guān)，泄漏孔距流體入口距離越遠(yuǎn)，泄漏量越小;泄漏孔距漸縮管小管徑管段距離越遠(yuǎn)，泄漏孔出口處壓力損失越小，且改變泄漏孔在漸縮管表面的位置并不能對(duì)泄漏孔的軸向速度變化趨勢(shì)造成影響。當(dāng)漸縮管表面泄漏孔孔徑及泄漏孔位置一定時(shí)，泄漏量與流體入口速度呈正相關(guān)，提高流體入口速度，泄漏量也隨之增加，泄漏孔軸向壓強(qiáng)及速度損失也增大。相比于泄漏孔位于漸縮管位置的變化對(duì)泄漏孔附近壓強(qiáng)、速度的影響，流體入口速度對(duì)其影響更大。

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