流体管道小孔泄漏建模与仿真研究

第35卷第2期化学反应工程与工艺V ol 35, No 2 2019年4月Chemical Reaction Engineering and Technology Apr 2019 文章编号：1001—7631 ( 2019 ) 02—0129—09 DOI: 10.11730/j.issn.1001-7631.2019.02.0129.09基于CFD方法的小孔自由射流数值模拟王权，李小江，陈勇，陈英浙江海洋大学石化与能源工程学院，浙江舟山316022摘要：针对流体的小孔喷射问题，采用了计算流体力学（CFD）方法对流体在流过小孔时的自由射流场进行了数值模拟研究。

模拟结果表明：在射流场中，主流区中心流体速度高且保持稳定，主流区边壁流体由于与气体摩擦而导致速度急剧下降；在气雾区，流体速度降低而形成气液分散状态；小孔内发生流体加速现象，且随着孔径和流体初速度的增加，小孔内流体的加速度相应增大；流体加速度的变化量随流体初速度的增加逐渐变大，随孔径增加而逐渐减小并趋近于零。

本研究得到了低速下小孔喷射状态的模拟模型，以及在不同孔径及初速度下喷射流的演化过程。

关键词：小孔射流特性数值模拟中图分类号：O358 文献标识码：A目前，在化工、冶金、能源、机械、水利水电工程、航空航天工程、给水排水工程以及环境工程等诸多领域，都存在大量的射流问题[1]。

20世纪20年代以来，前人利用理论、实验等手段，对射流现象进行了广泛且深入的研究，积累了大量的研究成果。

在层流射流理论方面，Schlichting[2]和Bickley[3]分别推导出平面层流射流的速度分布和流量分布，并经过Bickley等[3]的实验所证实。

董志勇[4]对圆形层流射流做了理论分析，推导出圆形层射流的速度分布和体积流量。

Hongo对层流射流作了详细地论述[5]。

对于湍流射流，有时间平均法和直接法[6]两种理论研究方法，前人应用雷诺平均法建立了湍流运动的基本方程，但由于雷诺应力的出现导致描述湍流运动的基本方程组不封闭，无法应用雷诺方程求解湍流问题。

总732期第三十四期2020年12月河南科技Henan Science and Technology船用渐缩管泄漏的建模与仿真研究王艳印洪浩李鑫（重庆交通大学，重庆400000）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 Ship’s Tapered Pipe LeakageWANG Yan YIN Honghao LI Xin（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400000）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 leak⁃age 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 posi⁃tion of the leak hole.Keywords:tapered pipe；small hole leakage；numerical simulation1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。

流体管道小孔泄漏建模与仿真研究马弘毅;闫宏伟;李昕;陈伶【摘要】The researches of fluid pipe small hole leakage and data of flow field numerical simulation had important reference significances to the technologies of leakage detection and location. The equations consisted of Bernoulli equation and continuity equation indicated characteristics of flow field ware influenced by leakage hole diameter, inlet velocity, the static pressure difference between inside and outside of the pipe when inlet velocity and outlet static pressure ware fixed values. The results of water pipeline small hole leakage numerical simulations based on FLUENT showed the leakage velocity was determined by static pressure differences between internal and external of leakage pipe,the leakage velocity had positively relation to static pressure differences between internal and external of leakage pipe. The mass flow rate of leakage hole was determined by leak hole diameter and static pressure differences between internal and external of leakage pipe, the mass flow rate of leakage hole had positively relation to static pressure differences between internal and external of leakage pipe. The static pressure differences between inlet and outlet ware influenced by leak hole diameter, inlet velocity and static pressure differences between internal and external of leakage pipe, the static pressure differences between inlet and outlet was major influenced by inlet velocity showed by data,the static pressure differences between inlet and outlet had positively relation to inlet velocity.%流体管道小孔泄漏流场的研究以及数值模拟所得数据对泄漏的检测、定位技术的研究具有重要参考意义。

天然气管道泄漏检测建模与实验研究随着天然气在各个领域的应用越来越广泛，天然气管道的安全问题也越来越受到关注。

其中，管道泄漏是天然气管道安全的重要问题之一，如何对管道泄漏进行有效的检测成为研究焦点之一。

本文主要针对天然气管道泄漏检测建模与实验研究进行探讨，希望能为天然气管道的安全运行提供一定的指导和参考。

一、天然气管道泄漏检测方法目前天然气管道泄漏检测方法主要包括两类，一类是传统的人工巡检和气味探测，另一类是基于物理传感器和智能算法的自动检测。

显然，传统的人工巡检和气味探测方法效率低下、精度不高，而且易受人为因素干扰，不利于天然气管道的长期稳定运行。

因此，基于物理传感器和智能算法的自动检测方法被越来越广泛地用于天然气管道泄漏的检测。

二、基于管道转速的泄漏检测方法目前，基于管道转速的泄漏检测方法被广泛应用于天然气管道的泄漏检测中，因为管道泄漏会导致管道内部的气体流量发生变化，从而也会改变管道的转速。

因此，通过对管道转速进行实时监测，就能够及时发现管道泄漏并进行处理。

具体实现方法是，在管道安装转速传感器，通过对转速传感器采集到的数据进行分析处理，从而判断管道是否存在泄漏。

传感器采集到的数据主要包括转速和扭矩两个方面，通过对这两个方面的数据进行分析处理，就能够得到管道泄漏的信息。

在分析处理过程中，需要使用一定的数学模型和算法，以保证检测的准确性和可靠性。

三、基于机器学习的泄漏检测方法除了基于管道转速的泄漏检测方法之外，基于机器学习的泄漏检测方法也被广泛应用于天然气管道的泄漏检测中。

具体实现方法是，在管道安装传感器，通过对传感器采集到的数据进行分析处理，从而判断管道是否存在泄漏。

但是，相比于基于管道转速的泄漏检测方法，基于机器学习的泄漏检测方法更加复杂，需要建立大量的数据集和模型，才能够进行有效的泄漏检测。

为了建立有效的数据集和模型，需要对管道内部的流体动力学过程进行建模和仿真。

具体实现方法是，在管道内部安装一定数量的小孔，以模拟不同位置和大小的泄漏情况，然后通过传感器采集数据，建立泄漏数据集。

城市非金属管道小孔泄漏数值模拟与试验验证郝永梅;杨文斌;杜璋昊;吴雨佳【摘要】为了研究城市非金属燃气管道发生小孔泄漏的分布规律,通过Gambit建立一个具有多个小泄漏孔的非金属燃气管道三维模型,采用流体动力学软件Fluent 模拟PE管道在不同场景下发生小孔泄漏,得到泄漏孔处的压力以及流速分布情况,并结合相应试验进行验证.模拟结果表明:管内压力与泄漏孔处压力与流速成正相关;小孔泄漏范围内,孔径对管道内的整体流量及泄漏速度的影响较小;初始压力越大、孔径越大,管内压力降低的速度越快,但最终都会趋于一个稳定值.试验管道沿程压力和流速的分布、变化情况与模拟结果基本吻合,验证了模拟的有效性,为管道泄漏检测及事故预防提供了理论依据.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】6页(P26-30,105)【关键词】天然气;非金属管道;小孔泄漏;Fluent软件;数值模拟【作者】郝永梅;杨文斌;杜璋昊;吴雨佳【作者单位】常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164;常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164;常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164;常州大学环境与安全工程学院,江苏常州213164【正文语种】中文【中图分类】X9370 引言随着城市化发展进程的不断加快，城市管道建设的规模也日益扩大，这其中非金属管道占到70%左右。

非金属管道虽然抗腐蚀性较好，但自然灾害、老化或第三方破坏等原因，仍然会导致管道发生泄漏，从而引发火灾、爆炸等恶性事故[1]。

管道泄漏分为小孔、中孔、大孔泄漏或破裂，根据欧洲输气管道事故数据组织(EGIG)统计分类标准，泄漏孔径小于20 mm即为小孔泄漏[2]。

由于小孔泄漏对管道的运行参数几乎没有影响，信号特征不明显，尤其在嘈杂的城市环境中，小泄漏更加难以被检测并及时发现。

因此，有必要探究城市非金属管道小孔泄漏的规律，为管道泄漏检测提供相关依据。

安全技术<匕二矣会此 2021年第12期基于虚拟现实技术的管道泄漏事故应急模拟仿真系统周炜崔伟强付建卫中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司河北唐山063299摘要：传统的管道泄漏事故模拟系统存在泄漏点位置检测不准确、检测效率低的问题。

为此，基于虚拟现实技术设计一种管道泄漏事故应急模拟仿真系统。

该系统通过虚拟现实技术构建管 道泄漏事故应急糢拟仿真系统结构；利用泄漏点监测流程可视化进行动态实时监控模拟。

为了对本 文设计管道泄漏事故应急模拟仿真系统性能进行验证，进行对比试验。

结果表明，本系统始终拥有 较高的泄漏样本正确识别率及管道泄漏定位效果，具有更高的检测效率。

关键词：管道泄漏；泄漏点监测；监控糢拟；虚拟现实；仿真系统社会发展迅速，国家对石油行业安全都有 较高的要求。

尽管石油运输泄漏和管道泄漏所 导致的应急管理和应急救援技术有了较大发 展，但应急救援速度及救援水平仍然存在问 题。

因此，通过计算机技术进行管道泄漏事故 应急救援、监控模拟将会有着重要的意义。

为 此，相关学者对管道泄漏事故应急模拟仿真系 统进行设计。

董传富提出一种基于贝叶斯网络 的燃气管道泄漏风险分析方法，通过贝叶斯网 络对城市燃气管道进行动态分区，利用可靠性 工程理论实现管道运输泄漏风险分析，此方法 能够有效提升风险分析准确性，但是分析用时 较长。

杨健等人提出一种基于改进模糊事故树 的城市燃气管道泄漏风险分析方法，通过模糊 综合评判法实现对燃气管道泄漏位置判断。

根据 事故树软件实现管道泄漏风险分析，利用模糊 矩阵实现管道泄漏监测过程的简化，此方法能 够有效提升管道泄漏监测效果，但是泄漏位置 判断不准确。

针对上述方法存在的问题，本文设计基于 虚拟现实技术的管道泄漏事故应急模拟仿真系 统，解决以上问题。

1 虚拟现实的管道泄漏应急模拟系统设计思路为了实现管道泄漏事故应急模拟仿真系作者简介：周炜，男，本科，工程师，主要从事安全环保工作-•8•统，就需要利用虚拟现实对管道泄漏事故应急 救援进行可视化设计。

气体管道泄漏模型的研究进展多年来，国内外许多专家和学者在管道输送安全性方面做了大量的研究工作，从管道的安全设计、管道的材质分析到管道泄漏检测技术等多方面进行了大量的研究[1-8]。

实际上，由于各种自然或人为的不可预料的因素，管道运输泄漏事故时有发生。

因此，对管道气体的意外泄漏进行泄漏影响区域分析及其扩散影响范围的确定，从而采取适当的措施，组织救援，对事故处理以及减少事故损失均具有举足轻重的作用。

管道泄漏速率的确定是分析泄漏扩散以及预测评价事故后果的基础和依据。

近年来，国内外相关专家和学者对于气体运输管道泄漏模型进行了一些研究[9-11]。

1 泄漏模型1．1 一般泄漏速率模型现行较普遍的气体泄漏速率的计算，是利用气体泄漏速率与其流动状态有关的特性，通过判断泄漏时气体流动属于声速(临界流)还是亚声速流动(次临界流)来确定其泄漏速率模型[9]。

气体流动属于声速流动，有：时，气体流动属于亚声速流动，有：式中pa——环境压力，Pap——管道内气体的压力，PaK——气体的等熵指数qm——气体泄漏速率，kg/sGd——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1．00，三角形时取0．95，长方形时取0．90[9]Aor——泄漏孔的面积，m2M——气体摩尔质量，kg／ktoolR——摩尔气体常数，取8．314 J／(mol·K)T——气体温度，K这种方法对于泄漏时管道内的气体压力恒定工况的计算是比较方便的，当因管道内压力降低而影响泄漏速率时，此模型就不适用了。

1．2 小孔泄漏模型和管道泄漏模型[10]。

小孔泄漏指孔径小于20mm的孔的泄漏或断裂，孔径为20～80mm的孔为大孔。

管道横截面完全断裂的泄漏模型则为管道泄漏模型[12]。

这种气体泄漏模型将气体看成可压缩气体，应用流体力学的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程描述气体的流动过程。

在理想气体状态方程中引入气体压缩因子来减少与实际气体的差别，即气体的状态方程为：pV=ZnRT式中 V——气体的体积，m3z——压缩因子n——气体的物质的量，mol图1是管内气体泄漏的示意图[12]，它表示距管道某一阀门L处存在一个小孔，管道在此处发生穿孔或破裂。

第2期（总第209期）2020年4月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGＮｏ．２　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２０９）Ａｐｒ．　２０２０36城市供水管道泄漏的ＣＯＭＳＯＬ流体仿真分析王 文 明1,2，郭 建 强1，周 超 群1，张 继 锋2，黄 俊3，姚 望4[1.中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京102249；2.清华长三角研究院，浙江 嘉兴314000；3.上海城建集团公司，上海200032；4.桐乡市凤栖市政工程公司，浙江 嘉兴314000]供水管网是城市赖以生存和发展的基础设施，其正常运行和有效工作已成为城市可持续发展的重要条件。

随着管线服役时间的增长，腐蚀、老化、第三方破坏等问题带来管道事故频发。

管线一旦发生泄漏，不但会造成水资源的浪费，引起巨大的经济损失，而且会影响到正常的工业生产和社会生活。

一般情况下， 城市供水管网可能延伸数千公里，管道泄漏，特别是中小泄漏较难监测。

因此，如何快速可靠检测泄漏，并定位泄漏点，从而实现管线维修，是保障城市供水管网顺利运行的重要环节。

在国际范围内，研究人员开发众多管道泄漏检测技术。

例如，基于被动式激励检测法的管道外检测，有瞬态模型法、音听检漏法、相关分析检漏法、超声导波检漏法、红外线照相法、示踪气体探测法、质量平衡法、负压波法等[1-2]；基于无损检测（Non-destructive Testing，NDT）的管内检测，常用的传感器包括声学、超声波、漏磁通和涡流传感器等[3-5]。

由于管内检测不受管外环境的影响，所以检测收稿日期：2020-01-06基金项目：嘉兴市科技计划项目“水质检测方法与检测机器人的设计与研究”（2018AY11016）第一作者简介：王文明（1981—），男，副教授，博士，研究方向为管道机器人检测技术、人工智能技术、连续油管技术。

摘要：为了掌握城市供水管道的泄漏特点，运用COMSOL Multiphysics 软件，对不同泄漏孔径（2 mm、4 mm、6 mm）的管道进行流体动力学模拟，用以分析泄漏管道及泄漏口处的压力和流量变化规律。