城市管道泄漏次声波传播影响机制模拟分析

2021-09-09郝永梅蒋军成邢志祥

实验室研究与探索 2021年8期

郝永梅，姚强，蒋军成，邢志祥，许宁

（1.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164；2.常州港华燃气有限公司，江苏常州213161）

0 引言

城市管网输送系统运行安全及泄漏问题直接影响城市运行安全。近年来，全国主要城市管网泄漏事故频发，给城市安全发展带来威胁。由于管道泄漏对管道运行参数几乎没有影响，信号特征不明显，尤其在嘈杂的城市中，难以被及时检测发现［1］。而城市管网多敷设于人口集中区域，穿越建筑物，一旦发生火灾爆炸，人员、财产损失大，社会影响恶劣。因此，研究管道泄漏技术，及时检测发现管道泄漏对城市安全发展及社会稳定都具有重要意义。

城市管网泄漏引发的振动与噪声处于同一频带，因此管道泄漏检测的难点在于如何从城市特有的复杂环境噪声中提取有用的泄漏信号［2］。次声波法检测技术具有检测成本低、传播距离长、易识别等优点［3］，国内外目前已在管道泄漏检测、地震、火山预测等方面有着初步应用。于海涛等［4］通过对管道次声波泄漏监测系统优化设计，提高次声波泄漏监测系统的定位精度和抗干扰能力，实现了对3 mm泄漏点的可靠检测和定位；朱卫东等［5］通过对长输管道和海底管道的管道泄漏次声波监测系统开发，实现了50 km系统监测距离内低误报率、低漏报率，可以监测3 mm孔径的泄漏，定位误差可达±20 m以内；武伟强等［6］利用基于硬件的双传感器检测方法，利用次声波对输油管道泄漏的检测与定位；阚玲玲等［7］基于声学和流体学等相关理论，研究天然气管道发生泄漏时次声波产生的机理及信号特点和采集方法，得到了天然气管道泄漏检测系统的软、硬件设计方案。Blom等［8］提出了一种改进的Bayes区域次声定位算法，描述定位源的后验密度函数的精度；Matoza等［9］提出了一种基于地震传感器和次声传感器采集信号相位相关和相干性的分析方法，实现火山的预测，但对于研究火山持续喷发过程中次声波的特征还未深入探索；Dragomiretskiyk等［10］针对次声波信号精度不高的问题，提出VMD算法来提高次声信号的处理方法和精度；Cannata等［11］用小波变换相干联合分析方法证明了地震和火山喷发的预测是可行的，但实验精度还需要进一步提高。

以上研究不同程度对次声波信号及其应用进行探索，促进了次声波检测技术的发展，但在管道泄漏检测方面，尤其是针对城市管道泄漏次声波信号的传播机制的研究很少，缺乏准确全面的研究。本文基于流体力学和声学原理，通过使用COMSOL软件进行模拟，利用有限元法和流体力学计算公式，以声压级作为次声波能量的衡量标准对城市管道次声波泄漏信号的传播因素及其影响机制展开研究。

1 泄漏次声波传播影响因素及作用机理

次声波是由机械振动产生的频率小于20 Hz的极低频机械波，具有传播距离长、穿透能力强和衰减小的特点。其中频率低于10 Hz的次声信号适用于管道泄漏监测，有利于管道泄漏信号的监测和接收［12］。次声波的传播能量和速度在管道中传播易受诸多因素影响，主要影响因素有泄漏孔径、马赫数、管道压力和介质。

1.1 泄漏孔径对次声波传播的影响

管道泄漏孔径对次声波传播的影响较大。PCCP水管泄漏试验［13］表明，随着泄漏孔径的增大，次声波所属的低频段受泄漏孔径的影响更明显，传播平面波，且出现了驻波的波腹与波节。

王黎宏［14］认为基于次声波传感的泄漏检测技术可以在一定运行压力的油气管道上进行应用，检测距离与管道运行破坏孔径的大小有关，在其他条件都不变的条件下，声压波动值以及声压级随泄漏孔径的增大而增大。

1.2 压力对次声波传播的影响

管道压力对次声波的传播有着重要影响，在其他条件一定时，管道的压力越大，单位时间流体泄漏量越大。管道压力对次声波传播影响可通过对管道的流动方程和水平管道流动模型韦茅斯方程简化来表达，摩擦因数增大，导致泄漏孔处的振动加强，再由次声波的产生机理可知，振动会产生声波。振动加强也就产生了能量更大的声波［15］。压力对次声波传播的影响可由下式表达：

式中：q指流体流速，m／s；Tb是温度，K；pb是压力，MPa；f是摩擦因数；γ是气体重力，N；Z是气体压缩系数；ˉT是气体平均温度，K；L是管道长度，mm；D是管道管径，mm；p1是进口段压力，MPa；p2是出口段压力，MPa。

本文采用有限元法分析计算，运用简化的雷诺平均纳维-斯托克斯描述管道网络中流体的运动，并对速度和压力场取时间平均值［16］。声压级计算公式可由下式表达：

式中：Lp为声压级大小，dB；p为声压，MPa；p0为基准声压，MPa。

1.3 介质对次声波传播的影响

介质密度次声波的传播速度随着介质密度的变化和气体压缩系数的变化而变化，且流体介质的密度越大，振动频率也越大，从而增大次声波的能量。介质对次声波传播的影响可由下式表达：

式中：Q为单极源强度，1／s2；ρ0为流体介质密度，kg／m3；m为偶极源，N／m3；ω为角频率，rad／s；c为次声波在介质中的传播速度，m／s。

1.4 马赫数对次声波传播的影响

马赫数可以用来表征流体可压缩程度。气体泄漏所产生的马赫数与气体管道泄漏孔处的静态压力有一定的关系［17］。天然气管道的初始压力对管道泄漏孔处的静态压力有着决定性的作用。马赫数对次声波传播的影响可由下式表达：

式中：u是天然气管道泄漏孔附近的气体流动速度，m／s；Ma表示马赫数；k表示天然气的等熵指数，在常温下可近似为定值1.29；T′表示管道泄漏孔附近温度，K。

2 数值模拟

根据城市管道特点，结合试验管道，设计仿真模拟管道规格为φ63 mm×4.7 mm，长10.16 m，管道材质为PE管，距离管道进气段4.5 m处设置一个泄漏孔模拟单孔泄漏，距离进气段和出气段4.5 m处分别设置泄漏孔模拟双孔泄漏情况。

对流体速度、无壁面滑移以及压力设置，设置出口面、入口面，其余为壁。初始流速为7 m／s；温度为293.15 K，下方为压力出口，设置其为管道内压；考虑管道边界层，选择剪切锐边处理，平滑地过渡到其内部网格，进行4次迭代，处理最大单元深度为6 mm。采用非结构化的几种不同形状相结合进行区域划分。本文对泄漏孔及邻近区域采用密度盒加密处理，保证计算结果的收敛性。壁处理采取壁函数方式，出口则采用抑制回流，同时考虑重力影响。管道泄漏模拟见图1。

图1 管道泄漏模拟图

3 泄漏次声波传播影响因素模拟

3.1 泄漏孔径对次声波传播的影响

本实验模拟单孔、双孔泄漏管道，管道介质为空气，压力设置为0.1 MPa。泄漏孔径分别设置1、3、5、9 mm。实验模拟结果如图2所示。

图2 不同泄漏孔径声压级变化图

3.2 压力对次声波传播的影响

根据城市中低压管道实际压力，管道介质为空气，分别在管道压力0.01、0.1、0.3 MPa下，用2 mm小孔泄漏和7 mm中孔泄漏进行模拟比较。部分模拟结果如图3所示。

图3 不同压力下声压级变化图

3.3 不同介质对次声波传播的影响

管道介质为水，分别在管道压力0.01、0.1、0.3 MPa下，通过2 mm小孔泄漏和7 mm中孔泄漏情况与介质为空气时管道泄漏情况进行对比研究。部分模拟结果如图4所示。

图4 不同介质中声压级变化图

3.4 马赫数对次声波传播的影响

管道介质为空气，分别在0.1、0.2、0.3 Ma下，对于2和7 mm单、双孔泄漏进行研究。部分模拟结果如图5所示。

图5 不同马赫数下声压级变化图

4 模拟结果分析

（1）泄漏孔径对次声波传播影响规律。单、双孔泄漏声压级数值随着孔径的增大总体呈增大趋势；单孔泄漏管道孔径＜3 mm时，声压级数值变化比较平缓，当继续增大泄漏孔孔径，声压级数值变化呈增大趋势；双孔泄漏管道孔径＜3 mm时，声压级变化呈增大趋势，当继续增大泄漏孔孔径，声压级增大的趋势明显减缓［见图6（a）］。

（2）压力对次声波传播影响规律。小、中孔泄漏声压级数值随管道压力的增大总体呈增大趋势；中孔泄漏声压级数值大于小孔泄漏声压级数值。单孔泄漏实验中，不同压力下，泄漏管道声压级数值总体呈增大趋势，但变化比较平缓，声波的特征频率无太大变化；双孔泄漏实验中，不同压力下，泄漏管道声压级数值总体呈增大趋势，且变化幅度较明显［见图6（b）］。

（3）介质对次声波传播影响规律。单孔泄漏模拟中，在流体为水的管道中，当管道压力较小时，泄漏管道声压级数值增长幅度较平缓，当管道压力大于0.1 MPa时，声压级数值变化幅度较明显。而当管内流体为空气时，当管道压力较小时，泄漏管道声压级数值变化幅度较明显，当管道压力大于0.1 MPa时，声压级数值增长幅度放缓。当流体为空气时，次声波信号传播受压力的影响较大；管道内介质变化对次声波传播能量的影响不明显；次声波在介质为水的管道比介质为空气的管道传播信号强［见图6（c）］。

（4）Ma对次声波传播影响规律。单、双孔泄漏时声压级数值随着Ma的增大总体呈增大趋势。单孔泄漏管道中，孔径较小，Ma＜0.2时，声压级增长幅度较平缓，当继续增大Ma，声压级增大幅度较快；当孔径较大，Ma＜0.2时，声压级增长幅度较快，当继续增大Ma，声压级增大幅度放缓。双孔泄漏管道中，声压级变化幅度随Ma增大呈加快趋势。在单孔泄漏实验中，Ma大小的变化对次声波传播的影响较明显；双孔泄漏实验中，Ma变化对声压级影响较小；特征频率随Ma的增大呈增大的趋势［见图6（d）］。