基于CFD模拟的输气管道阀门流噪声仿真_刘翠伟

2012 年9月 第31卷 第9期 657 网络出版时间： 2012-4-13 17:26:00 网络出版地址： 检测技术 天然气长输管道系统1中的音波主要来自压缩机 开关及运行噪声、 阀门开关噪声、 泄漏或分支管产生的 噪声等， 即气动噪声和气体流动引起的结构噪声。气 动噪声因直接作用在流体上的振动力以及流体本身的 剧烈运动而产生， 即流噪声2。阀门的主要作用是调 节和控制流体的流量、 压力和流动方向， 是输气管道系 统中最常见的流体机械， 因此， 阀门噪声是输气管道中 最常见的噪声。流体为定常流动时， 各流动参数不随 时间而改变， 因此管道系统中不存在流体压力、 速度等 的脉动， 也就不存在声源。可见， 阀门流噪声来源于流 体的非定常流动： 阀门阻挡使流体产生涡旋， 引起流体 的非定常流动， 成为流噪声的主要声源3。由于阀门 的结构、 边界条件及支配方程均较复杂， 对阀门流场进 行解析研究比较困难， 因此， 通常采用有限差分法、 有 限体积法、 边界元法和有限元法等数值离散方法进行 分析3。以下采用有限体积法并借助 ANSYS Fluent 软件对阀门流场进行仿真研究。 1 模型建立 建立含有阀门的管段模型， 对阀门流场进行模拟 仿真， 得到含阀门管段的流场分布， 然后采用声学模型 对模拟得到的阀门流场进行声场分析。 1.1 气体通过阀门的声学机理 气体通过阀门的声学机理以气动声学4-5为基础， 研究的是流体与流体以及流体与固体相互作用而发声 的机理。为此， 从流体力学的基本方程出发， 得到输气 管道阀门流场中分布的声源。 由流体力学基本方程组得到纳维-斯托克斯方程， 即 N-S 方程： 式中：为流体密度， kg/m3；v为流体流速， m/s；t为流 动时间， s；F为单位质量的质量力分布函数， N/kg；p为 流体压力， Pa；为常数， N s/m2。 从 N-S 方程出发， 得到 Lighthill 波动方程： 式中：a0为当地声速， m/s；xi为i轴坐标， m；xj为j轴 坐标， m；Tij为 Lighthill 应力张量， Pa；ui为i方向速 度分量， m/s；uj为j方向速度分量， m/s；p0为流场静压， 基于 CFD 模拟的输气管道阀门流噪声仿真 刘翠伟1 李玉星1 李雪洁2 曹军3 1. 中国石油大学 （华东） ， 山东青岛 266555； 2. 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司， 北京 100085； 3. 青海油田公司基建工程处， 甘肃敦煌 736202 刘翠伟等. 基于 CFD 模拟的输气管道阀门流噪声仿真. 油气储运， 2012， 31 （9） ： 657-662. 文章编号： 1000-8241 （2012） 09-0657-06 摘要： 将输气管道中的气体流经阀门时的流场在CFD （Computational Fluid Dynamics） 软件中进行 三维仿真模拟， 建立了输气管道阀门流噪声的产生模型。对气体流经阀门的流场进行稳态模拟和瞬 态模拟， 结果表明： 湍流中的流体脉动 （如压力、 速度脉动） 是流体流噪声产生的根本原因。将模拟 仿真得到的阀门流场分布通过 Lighthill 波动方程转换得到偶极子声源， 从而对阀门管段进行流体 噪声分析， 得到阀门流噪声产生、 传播、 衰减规律。通过试验对仿真模拟得到的阀门声场进行验证， 表明了利用 Fluent 软件对气体流经阀门的流场和声场进行模拟仿真的可行性。研究成果可为输气 管道音波法泄漏检测提供技术支持， 为输气管道阀门噪声控制方法的制定提供理论依据。 关键词： 输气管道； 音波法； 泄漏检测； 流场模拟； 流噪声机理； 偶极子声源； 阀门声场 中图分类号： TE978 文献标识码： A doi： 10.6047/j.issn.1000-8241.2012.09.004 658 2012 年9月 第31卷 第9期 检测技术 湍流模型进行瞬态模拟， 从而对湍流运动进行描述， 得 到阀门流场的分布。 1.2.1 网格划分 对含球阀管段的流体区域进行网格划分 （图 2） 。 1.2.2 湍流模型 稳态模拟采用-方程， 瞬态模拟采用 LES 大涡 模拟方程。瞬态 LES 大涡模拟的基本思想是： 湍流中 的大尺度涡可以通过瞬时 N-S 方程直接计算， 小尺度 涡通过建立模型来模拟其对大尺度涡运动的影响。瞬 态大涡模拟的基本方法为： 首先， 建立一种数学滤波函 数， 将湍流瞬时运动方程中尺度比滤波函数尺度小的 涡滤掉， 被滤掉小涡的运动方程即描写大涡流场的运 动方程； 其次， 被滤掉小涡对大涡运动的影响作用通 过在大涡流场的运动方程中引入附加应力项来体现， 这一数学模型被称为亚格子尺度模型 （SubGrid-Scale model） ， 即 SGS 模型。 1.2.3 边界条件设置 选定湍流模型后， 需设置边界条件。对于稳态模 拟的-湍流模型， 要求输入湍流强度I和湍流长度L Pa；0为自由流体密度， kg/m3；ij为克罗内克符号。 在 Lighthill 声拟理论波动方程6之后， 1955 年， Curle7利用基尔霍夫方法将 Lighthill 理论推广到考 虑静止固体边界的影响； 1969 年， Ffowcs Williams 与 Hawkings8利用广义函数法解决了运动物体在流体 中的发声问题， 得到 Ffowcs Williams In Chinese Oil Email: yulengmei0411 DETECTION TECHNOLOGY CFD analog-based valve fl ow noise simulation of gas pipeline Liu Cuiwei1, Li Yuxing1, Li Xuejie2, Cao Jun3 1. China University of Petroleum (East China) 2. CPE Beijing Branch 3. Construction Engineering Department of Qinghai Oilfi eld Company OGST, Vol. 31 No. 9, pp. 657662, 9/25/2012. ISSN 1000-8241; In Chinese Flow field for gas pipeline gas flowing through the valve is input into the CFD (Computational Fluid Dynamics) for three-dimensional simulation, so as to build the generation model of gas pipeline valve fl ow noise. Steady-state simulation and transient simulation are carried out for the fl ow fi eld of gas fl owing through the valve. Results show that the pulsating fl ow in the turbulence (such as pressure and velocity fluctuation) is the root cause for flow noise generation. Valve flow field distribution from the analog simulation is transformed by the Lighthill wave equation to get a dipole sound source so as to obtain generation, transmission and attenuation law of the valve fl ow noise through valve pipe section fl ow noise analysis. A test is carried out to verify the valve sound fi eld from the analog simulation, indicating the feasibility of using Fluent software for analog simulation of fl ow fi eld and sound fi eld of gas fl owing through the valve. Research results can provide technical support to the acoustic method leak detection of gas pipeline and theoretical basis to the development of gas pipeline valve noise control methods. Key words: gas pipeline, acoustic method, leak detection, fl ow fi eld simulation, fl ow noise mechanism, dipole sound source, valve sound fi eld Liu Cuiwei: reading master, born in 1987, graduated from China University of Petroleum (East China), oil gas storage and transportation engineering, in 2010, engaged in the research of gas pipeline acoustic method leak detection technology. Add: No.66, West Changjiang Road, Economic and Technological Development Zone, Qingdao, Shandong, 266555, P.R.China. Tel: Email: chuyunlcw INTEGRITY Relevant regulations and methods for route selection of oil and gas pipeline and risk assessment Zhang Shengzhu1, Wu Zongzhi1, Zhang Jian2, Duo Yingquan1 1. China Academy of Safety Science and Technology 2. Taian Huaneng Urban Gas Engineering Co., Ltd. OGST, Vol. 31 No. 9, pp. 663669, 9/25/2012. ISSN 1000-8241; In Chinese Rational route selection for long-distance oil and gas pipelines is the basis to ensure safe operation of pipelines and an important measure to reduce the accident probability of long-distance oil and gas pipeline and risk of personnel in the accident danger zone along the pipeline. In this paper, route selection regulations and methods of long-distance oil and gas pipelines at home and abroad are combed, two pipeline route selection principles for controlling safe distance and pipeline safety are summarized and applications in different countries are discussed. In addition, research progress of long-distance oil and gas pipeline route selection methods and procedures, major factors concerned in the route selection, development of pipeline risk analysis and research progress of risk assessment methods and acceptance risk criteria are also summarized. It is recommended that the risk-based route selection standards should be developed to carry out a research in multi-objective optimization algorithms to determine acceptance risk criteria so as to improve the pipeline accident databases. Key words: long-distance oil and gas pipeline, route sel