基于Fluent的油氣管道內(nèi)部泄漏特性分析

王明吉 姚岱男 張 勇 王 臣 段運(yùn)達(dá) 倪子顏

（東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院）

油氣管道是運(yùn)輸石油和天然氣最主要的方式，它的應(yīng)用為油氣的運(yùn)輸提供了極大的便利并在一定程度上降低了輸運(yùn)成本。 然而近年來由于管道腐蝕、老化以及第三方破壞等因素，泄漏情況時(shí)有發(fā)生。 油氣管道的泄漏，可能導(dǎo)致管道停止運(yùn)輸造成物料的損失，還可能會引起環(huán)境污染問題。 嚴(yán)重時(shí)，會引發(fā)火災(zāi)、爆炸，對群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅，進(jìn)而產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響［1］。 因此分析城市油氣輸送管道的泄漏問題是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外提出的對管道泄漏檢測的方法已有多種，如生物檢測、電纜泄漏檢測、負(fù)壓波檢測［2］及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［3］等。 其中負(fù)壓波檢測方法最為普遍，該方法靈敏度高、準(zhǔn)確性好、適用性強(qiáng)，但有一定的誤差存在，無法精準(zhǔn)計(jì)算管道泄漏的位置。 為減少誤差，近年來聯(lián)合負(fù)壓波檢測儀器搭建的實(shí)驗(yàn)智能化平臺［4］，成為了研究管道泄漏的重點(diǎn)。 通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬管道情況，對管道內(nèi)流體壓力狀態(tài)進(jìn)行觀察，找出泄漏前后壓力變化的規(guī)律來判斷泄漏的情況。 這樣，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況，從而有效地防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。

筆者采用Fluent 15.0軟件模擬管道泄漏時(shí)管道內(nèi)和泄漏孔周圍的流體狀態(tài)變化，研究不同泄漏孔徑在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況下壓力、速度的變化規(guī)律。 從壓力云圖、速度云圖和泄漏的質(zhì)量流量3個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)分析。

1 管道泄漏模型的建立

湍流的流動是一個(gè)非常復(fù)雜的流動模型，當(dāng)計(jì)算湍流流動時(shí)，F(xiàn)luent除了需要遵循質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程兩個(gè)基本控制方程外，還要滿足附加湍流方程［5］。對于直管管道泄漏的情況，選取k-ε模型方程。 標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型是半經(jīng)驗(yàn)公式［6］，主要基于湍流動能和耗散率。湍流動能方程是一個(gè)精確方程，而湍流耗散率方程是一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。

湍流動能k方程為：

k-ε模型是假設(shè)流場完全是湍流流動狀態(tài)，因此分子間的黏性便可以忽略不計(jì)。 因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只能應(yīng)用在完全湍流的流場之中。 模型常量是從空氣、水的基本湍流實(shí)驗(yàn)中得出的，F(xiàn)luent軟件一般取值如下：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，湍流動能k和湍流耗散率ε的普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

2 幾何模型的建立

2.1 物理模型

實(shí)際油氣管線直徑一般為0.2～1.5m， 筆者取0.8m為研究對象， 在直管區(qū)域選取一泄漏孔，在其左右截取一段進(jìn)行觀察［7］。 經(jīng)過對5、10、20m等長度管線的仿真研究發(fā)現(xiàn)，管道截取的長度不會對管內(nèi)流體狀態(tài)產(chǎn)生影響， 故選用SolidWorks軟件建立一個(gè)長5m、直徑0.8m的直管來模擬管道泄漏時(shí)管道內(nèi)部流體變化的情況。 泄漏孔徑分別設(shè)置為1、2、5mm。

2.2 網(wǎng)格劃分

按網(wǎng)格點(diǎn)之間的關(guān)系，可將計(jì)算網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格［8］。筆者利用ICEM 15.0建立模型，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對泄漏孔四周區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

2.3 邊界條件及參數(shù)

利用Fluent 15.0對管道內(nèi)部流體進(jìn)行數(shù)值模擬，氣體管道泄漏過程的流體材料選取常溫下的空氣，并設(shè)置為理想情況［9］。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺，入口邊界條件設(shè)置為1.7MPa， 出口邊界條件設(shè)置為1.4MPa。 泄漏孔邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力值默認(rèn)為0MPa。

3 管道泄漏數(shù)值模擬分析

筆者選取3種泄漏孔徑，分別為1、2、5mm，通過對管道內(nèi)流體的狀態(tài)模擬可知，當(dāng)管道發(fā)生微小泄漏時(shí)泄漏孔附近出現(xiàn)湍流擾動現(xiàn)象［10］，且泄漏孔徑越大，泄漏孔內(nèi)的流場變化越劇烈，湍流擾動現(xiàn)象越明顯。

3.1 壓力云圖分析

運(yùn)輸管道是一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)［11］，“牽一發(fā)而動全身”， 管道上任何一點(diǎn)的壓力變化都會引起其他點(diǎn)的壓力變化。 如果管線上某處突然發(fā)生泄漏，必然導(dǎo)致全線壓力下降。

圖1分別是泄漏孔徑為1、2、5mm時(shí)的壓力云圖。 由圖可知，在一段5m的直管管道內(nèi)有一個(gè)泄漏孔，由于氣體由左到右運(yùn)動，從進(jìn)口到接近泄漏點(diǎn)周圍形成一個(gè)半圓式壓降，逐層減弱，越接近泄漏點(diǎn)壓力越小。 氣體經(jīng)過泄漏孔后，接近管道上壁部分，將氣體瞬間壓縮，管壁發(fā)生膨脹［12］，導(dǎo)致壓力驟然升高，達(dá)到一個(gè)最高值。 管道內(nèi)壓力變化的具體數(shù)值見表1。

圖1 不同泄漏孔徑下的壓力云圖

表1 不同泄漏孔徑下的壓力變化

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和其他泄漏孔徑的多次實(shí)驗(yàn)得知，一段直管管道發(fā)生泄漏時(shí)，它的壓力波動幾乎是垂直變化的。 在介質(zhì)即將接近泄漏孔時(shí)，壓力形成半圓逐漸減弱，當(dāng)經(jīng)過泄漏孔后，則會瞬間產(chǎn)生高壓。 泄漏孔徑越大，管道內(nèi)介質(zhì)泄漏出越多，導(dǎo)致管道整體壓力越小，接近泄漏孔處壓力下降越平穩(wěn)，低壓越貼近管道上壁，通過泄漏孔后壓縮產(chǎn)生的高壓就越高。

對于外在因素來說，實(shí)驗(yàn)分析表明，管道的長度對泄漏時(shí)管道的整體壓力沒有影響， 單一的氣體或液體在管道內(nèi)壓力的變化基本一致。

3.2 速度云圖分析

圖2分別是泄漏孔徑為1、2、5mm時(shí)的速度云圖。 通過速度云圖顯示，有泄漏孔的直管管道在整段管道貼近上管壁區(qū)域的流體速度較低且越貼近速度越低。 由圖2可知，當(dāng)管道出現(xiàn)一個(gè)泄漏孔， 管道內(nèi)沿上管壁出現(xiàn)極小部分低速流動，在泄漏孔周圍形成一個(gè)“小尾巴”。 流體速度逐漸加快直到從泄漏孔噴射而出， 到達(dá)一個(gè)最高速度點(diǎn)。 經(jīng)過泄漏孔后，速度沿上管壁向下大幅度加快直至回歸原始管道內(nèi)的流體速度。 管道內(nèi)速度變化見表2。

圖2 不同泄漏孔徑下的速度云圖

表2 不同泄漏孔徑下的速度變化

因流體介質(zhì)具有流動性［13］，所以泄漏孔前后介質(zhì)流動速度基本穩(wěn)定不變。 速度變化集中在泄漏孔下方范圍內(nèi)，呈包裹住泄漏孔的“小尾巴”現(xiàn)象。 經(jīng)由大量數(shù)據(jù)分析可知，泄漏孔徑越大，介質(zhì)在管道中的流速越快，速度升高越平緩，升高范圍越小。 經(jīng)過泄漏孔后，速度沿上管壁向下大幅度增加。

3.3 不同時(shí)刻的壓力分布

隨著時(shí)間梯度的變化， 管道內(nèi)的壓力也逐漸發(fā)生改變，筆者選取代表性時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行說明。將時(shí)間步長設(shè)置為10-4s，便于觀察壓力變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

對比圖3a、b發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的變化，管內(nèi)流體的壓力分布由兩邊向中間推進(jìn)，壓力變化梯度逐漸變寬。 兩邊相遇交錯(cuò)，最終使管內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 管道運(yùn)行時(shí)，壓力由左輸入，流向右側(cè)。 當(dāng)發(fā)生泄漏后，壓力在泄漏孔處發(fā)生泄放溢出，導(dǎo)致向右流動的壓力變小。 泄漏孔周邊的壓力分布情況如圖3c、d所示， 壓力向左偏移擴(kuò)散，隨著時(shí)間推移，顏色變化的分界線也逐漸模糊，壓力過渡逐漸變小。 從圖3的4幅圖可知在泄漏過程中，壓力梯度確實(shí)在向兩側(cè)逐漸降低。

圖3 不同時(shí)刻的壓力變化

3.4 不同時(shí)刻的速度分布

相比較于壓力，速度變化更加明顯，可以看出圖4a、b中兩邊顏色較淺， 向中間顏色深處推進(jìn)，隨后交融，顏色逐漸變淺，根據(jù)圖標(biāo)所示，顏色越淺，速度越快。 當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏孔處產(chǎn)生負(fù)壓波，根據(jù)負(fù)壓波檢測原理［14］可知，泄漏時(shí)負(fù)壓波從泄漏孔向兩邊傳導(dǎo)，與正常流體速度產(chǎn)生疊加，導(dǎo)致兩邊速度比中間速度快。 通過圖4c、d可知泄漏孔處速度分布同樣向左偏移，管道內(nèi)速度平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)泄漏孔時(shí)，向泄漏處噴出，導(dǎo)致速度加快。

圖4 不同時(shí)刻的速度變化

3.5 泄漏的質(zhì)量流量

分析流量數(shù)據(jù)可得， 上游出站流量增大，而下游收氣流量減小，從而產(chǎn)生輸差［15］。 在相同壓力下，泄漏孔徑變化對應(yīng)的泄漏質(zhì)量流量見表3。表3中符號為負(fù)代表泄漏出口， 所以泄漏孔徑的大小與對質(zhì)量流量的影響成正比，泄漏孔徑越大，泄漏的質(zhì)量流量越大。

表3 不同泄漏孔徑下的質(zhì)量流量

4 結(jié)論

4.1 泄漏孔徑的大小影響著管內(nèi)流體狀態(tài)的變化。 泄漏孔徑越大，管道整體壓力越低，到達(dá)泄漏孔處，壓力下降得越緩慢，隨后經(jīng)過泄漏孔，流體的流動受阻，動能轉(zhuǎn)換成壓能，在瞬變壓力的作用下，流體受到壓縮，管壁膨脹，導(dǎo)致壓力瞬間升高。

4.2 泄漏孔徑越大，管內(nèi)流體流動速度越快。 除泄漏孔周圍外，管內(nèi)整體貼近管壁處的介質(zhì)速度分布穩(wěn)定，層次分明，貼近管壁速度向下逐漸成倍增加。 孔徑越大，泄漏孔處速度升高越緩慢平穩(wěn)。

4.3 泄漏的質(zhì)量流量會隨著泄漏孔徑的大小而變化，泄漏孔徑越大，泄漏的質(zhì)量流量越大。