天然气管道泄漏声场特性研究

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1、石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第2期●专题研究天然气管道泄漏声场特性研究徐晴晴张来斌梁伟(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院)摘要根据莱特希尔理论可确定天然气管道泄漏处声源为四极子声源，用声强方程和莱特希尔气动力声方程，推导出天然气管道泄漏喷流噪声强度与喷流速度间的关系式。用Matlab软件对天然气管道泄漏声场进行数值模拟，分析了天然气管道泄漏时的声场分布及声压级。结果表明，管道内声波形成驻波且整体声压都很大，管道外为四极子声源所产生的声场，声波的辐射和衰减．较快；随着泄漏孔直径D和管内运行压力P。的增大，声场声压P和声压级Ls也增大。该项研究为天

2、然气管道泄漏的进一步研究提供了理论基础。关键词天然气管道泄漏气体喷流泄漏声场声压级希尔气动力声方程表示。莱特希尔将湍流所产生的0引言空气动力流看作是淹没在静止的均匀介质中的雷诺应力，即四极子声源的辐射。湍流喷注噪声的声功管道在使用过程中由于腐蚀、磨损以及第三方率与喷注速度的8次方成正比，与喷注直径的平方破坏等因素，会造成管道内流体的泄漏。天然气管成正比，则湍流噪声的功率为_4]：道可以用声波检测法进行泄漏检测，该方法基于物W=KDp0US／c(2)体间的相互碰撞均会产生振动形成声波的原理，开式中K——莱特希尔常数，实验值约为3×10一；发出泄漏检测系统⋯。天然气管道泄漏是复杂的D——泄漏孔直径

3、，nl；气体喷流过程，研究喷流噪声的声源，并对天P0——介质密度，kg／m；然气管道泄漏声场进行数值模拟，分析声场特性，，—一泄漏速度，m／s；可以为天然气管道泄漏声波检测提供理论基础。c0——声速，取340m／s。将泄漏管道孑L看作直径均匀小孔，可将波阵面1泄漏声场理论研究看作球面波，球面波的声强为：2nI=(3)1．1泄漏声场最大声压推导ZpoCO天然气管道泄漏可视为喷流过程，伴随喷流噪则泄漏的声功率为：声的产生，设流体密度为P，速度矩为，时间为W=IS=霄r2(4)t，压力为P，泄漏过程中满足理想流体微小声波的ZpoCo3个基本方程：运动方程、连续性方程和状态方式中p——最大声压，Pa；

4、程，由此可得到理想流体中小振幅波传播二维波动r——球半径，In。方程为J：由式(2)和式(4)得到管道泄漏时声场最一，2—2大声压为：一c一c：0(1)a‘ax‘ay‘Pm：√=层√—■2一2㈣天然气管道泄漏产生湍流噪声过程，可用莱特}基金项目：国家“863”计划项目“基于双扭环机制的输油管线泄漏诊断的新装置与方法研究”(2008AA06Z209)；北京市教育委员会共建项目“天然气主管线泄漏诊断系统研究”。2011年第39卷第2期徐晴晴等：天然气管道泄漏声场特性研究一13一式中“——最大泄漏速度，m／s；根据上述方法，用Matlab编制数值模拟程序，——马赫数。建立仿真模型，对天然气管道泄漏声

5、场进行数值模1．2泄漏声场声源的确定拟。图2为天然气管道泄漏声场数值模拟结果。管道外，泄漏声场视为四极子声源的辐射，由60此可得到管道外泄漏声压为：402220：P√．—一cos0sinOexpPJ(￡_一kr)(6)0式中泄漏声场与轴线所成角度，(。)；—20expj(tot—kr)——简谐波因数；—40—60——固有频率，Hz；．]}——波数。图2泄漏孔直径4mm，管内运行压力管道内，形成喷流后，声波在管中传播，经过0．6MPa时管道泄漏声压声场图管壁反射，不但有正向声波，还有负向声波，结果由图可以看出，天然气管道泄漏声场中，在管是这些声波的总和。如果这些反射波在声源处同道外，喷流声压在泄

6、漏孔附近达到最大值，并向四相，则振动加强，在管中形成驻波。因此管道内泄周辐射传播，随着距泄漏孔距离的增加，声压值减漏声压为小。在管道内，声波经过管壁反射，形成驻波，叠22P：√—了一既PJ(∞卜kr)×x加很剧烈，整体声压都很大。管道内声波的辐射和衰减比管道外的要微弱，因此，声波在管道内传播sin(tot)sin(kr)(7)比较复杂。2泄漏声场模拟3结果分析用Matlab中软件偏微分工具箱建立天然气管3．1不同泄漏孔直径泄漏声场分析道泄漏声场模拟模型，对模型进行二维偏微分方程对不同泄漏孑L直径D下的管道外声场进行仿求解，得到天然气管道泄漏声场分布。真计算。表1为管道泄漏孔处声场的仿真计算声压

7、图1为管道气体泄漏声场模拟的计算区域及边P，并通过声压级公式得到管道泄漏孔处的声压级界条件示意图，计算区域为140mm×240mm的矩Set。形区域，实线表示壁面的全反射边界，虚线表示远表1不同泄漏孔直径下的声压p和声压级

8、s离截流口处的吸■收■边网界。在一泄漏一孔处施加四极子声源，声源强度可由流场模拟结果计算获得J。图3为当管道内部压力为0．4MPa，出口压力为0．1MPa时，不同泄漏孔直径下，