液相管道多规格小孔泄漏规律及漏后压力计算方法研究

摘要

目前，随着我国经济发展，原油、成品油消耗量日益增大，而作为油品最主要的输运方式，油品输运管网规模不断扩大。由于部分管网投产年限较长，受腐蚀、运行磨损等因素影响，加之管道生产质量缺陷、违规操作及人为破坏等因素，不时发生管道泄漏事故。考虑到油品易燃易爆的物理特性，泄漏发生后若处置不当，极易引发火灾、爆炸等事故，造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，并造成负面的社会影响。因此，开展输油管道风险评估对于油品输运安全极其重要，而作为输油管道安全领域的重要议题，泄漏速率计算也是泄漏后果预测和泄漏风险评估的前提和基础。 关于液相管道泄漏的计算模型有很多，目前，基于流体力学和机械能守恒方程的液相管道泄漏模型已经比较成熟，但这类模型存在一定缺陷，例如没有考虑泄漏导致管道压力的变化及泄漏临界孔径对泄漏速率的影响，在泄漏孔方面，其往往只考虑到规则泄漏孔，没有考虑不规则裂口形状对泄漏速率的影响。而现实中，泄漏孔往往是不规则的，因此，泄漏经典模型有很大局限性，往往不能直接用于泄漏速率计算。 本文结合已有研究成果，通过搭建液相管道圆孔泄漏实验系统，构建不同泄漏场景，研究管道流量、初始压力对管内液体压力及泄漏速率变化的影响规律，提出了圆孔泄漏稳定压力计算方法，有效解决经典计算公式中压力求解问题；通过改变管道初始压力、管道流量以及泄漏孔孔径，研究泄漏速率的变化规律，得到不同工况下液相泄漏临界孔径；结合实际泄漏场景，确定典型不规则泄漏孔几何形态及尺寸，研究不同管道流量、压力情况下，泄漏速率变化情况；结合圆孔泄漏和不规则孔泄漏实验数据，研究相同工况（管道流量、初始压力）下，泄漏速率相同时，不规则孔等效圆孔尺寸，计算不规则孔等效圆孔面积系数；以油品管道为模拟对象，结合实验数据，建立等比例液相管道多规格孔泄漏CFD模型，研究不同工况下，管道流体运动发展规律、流动特征以及管道流量、压力对泄漏孔速度分布的影响规律。根据研究结果，在泄漏发生后，根据泄漏孔口形状及面积，结合不规则孔对应圆孔面积系数及泄漏速率计算公式，可快速、精确计算泄漏速率，为泄漏风险评估和泄漏后果预测提供理论数据支持。

目录

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绪论

研究背景

研究的目的及意义

国内外研究现状

研究内容与技术路线

研究内容

技术路线

液相泄漏源模型及量化分析

源模型介绍

常见液相泄漏源模型定量描述

液体通过孔洞流出

液体通过贮罐上的孔洞流出

液体通过管道流出

闪蒸液体泄漏

本章小结

圆孔漏后稳定压力及临界尺寸研究

圆孔泄漏实验系统概述

圆孔泄漏实验方法与过程

技术思路

高压柱塞泵排量、管道初始压力、泄漏孔孔径范围取值

实验步骤

圆孔漏后实验结果与分析

管道流量、初始压力对漏后稳定压力影响规律分析研究

圆孔孔径对泄漏速率影响规律研究

本章小结

不规则孔等效圆孔面积系数研究

不规则孔泄漏实验系统概述

不规则孔泄漏实验方法与过程

技术思路

高压柱塞泵排量、管道初始压力范围取值及泄漏孔口形状、尺寸确定

实验步骤

不规则孔漏后实验结果及等效圆孔面积系数计算

本章小结

液相管道多规格孔泄漏CFD仿真

CFD仿真工具选择-Fluent

CFD仿真工具Fluent简介

Fluent软件内置的控制方程及其离散化

Fluent软件求解方法

湍流模型

Fluent建模过程

计算域及定解条件

网格划分与无关性检查

Realizable 模型

数值计算方法

Fluent仿真结果有效性评价

计算结果与分析

液相管道圆孔泄漏Fluent仿真及结果分析

液相管道不规则孔泄漏Fluent仿真及结果分析

本章小结

结论及展望

主要研究结论

主要创新点

不足与展望