劉聯(lián)勝 魏朝陽(yáng) 王曉雪 高忠旺 張春來(lái) 董生啟

摘要 埋地供熱管道發(fā)生小規(guī)模泄漏時(shí)，泄漏工質(zhì)首先進(jìn)入聚氨酯保溫層中，此過(guò)程是研究泄漏工質(zhì)進(jìn)入周?chē)寥拉h(huán)境進(jìn)行熱質(zhì)傳遞的重要基礎(chǔ)。根據(jù)供熱管道泄漏的實(shí)際情況，搭建了用于模擬實(shí)際管段泄漏的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立了用于描述泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流特性的三維數(shù)學(xué)模型并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，模擬分析了管道入口壓力、泄漏孔徑、泄漏孔朝向等因素對(duì)泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流特性的影響。研究結(jié)果表明：泄漏工質(zhì)在保溫層中的壓力與速度隨管道入口壓力與泄漏孔徑的增大而增大，泄漏孔朝向越趨于管道正下方，泄漏工質(zhì)在保溫層中的壓力與速度越大。管道入口壓力對(duì)于泄漏工質(zhì)在保溫層中流動(dòng)特性的影響最大、泄漏孔徑次之、泄漏孔朝向?qū)ζ溆绊懽钚?。本文為完整研究管道泄漏過(guò)程及其檢測(cè)領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞 供熱管道；聚氨酯保溫層；泄漏工質(zhì)；數(shù)值模擬；滲流特性

中圖分類(lèi)號(hào) TK172? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Experimental and simulation study on seepage characteristics in thermal insulation layer of heating pipeline

LIU Liansheng1， WEI Zhaoyang1， WANG Xiaoxue1，GAO Zhongwang2，

ZHANG Chunlai2， DONG Shengqi2

（1. School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. Chengde Heating Group Co. ltd， Chengde， Hebei 067000， China）

Abstract When a small scale leakage occurs in buried heating pipeline， the leakage media first enters into polyurethane insulation layer. This process is important to study the heat and mass transfer of leakage media into the surrounded soil environment. An experimental system was established to simulate the pipeline leakage according to the actual situation of heating pipeline leakage， and a corresponding three-dimensional mathematical model was also established and its accuracy was verified by experimental data. On this basis， the influence of inlet pressure of the pipeline， leakage aperture and leakage holes position on the seepage characteristics of leakage media in the insulation layer was analyzed by this model. The results showed that the pressure and velocity in the insulation layer increased with the increase of inlet pressure of the pipeline and leakage aperture， and the more the direction of the leakage holes position tends to be directly below the pipeline， the greater the pressure and velocity of the leakage media are. The inlet pressure of the pipeline has the greatest influence on the flow characteristics of leakage media in the insulation layer， followed by the leakage aperture and the position of the leakage hole. This paper can provide a theoretical basis for the complete study of buried heating pipeline leakage process and its detection.

Key words heating pipeline; polyurethane insulation; leakage media; numerical simulation; flow characteristics

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)集中供暖的面積也在逐年增長(zhǎng)[1]，供熱管網(wǎng)作為連接熱源和熱用戶(hù)的紐帶在集中供熱系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。目前供熱管網(wǎng)以直埋敷設(shè)為主[2]，而聚氨酯因其使用年限長(zhǎng)且具有良好的保溫性能，廣泛應(yīng)用于供熱管道的保溫層[3-4]。隨著供熱管道使用年限的增長(zhǎng)，管道泄漏情況時(shí)有發(fā)生[5-6]，已報(bào)道的有關(guān)管道泄漏故障文獻(xiàn)中，多數(shù)忽略了泄漏工質(zhì)在保溫層中的流動(dòng)[7-8]。實(shí)際上供熱管網(wǎng)建設(shè)時(shí)，管段連接處會(huì)進(jìn)行焊接[9]以及二次發(fā)泡，導(dǎo)致管段連接處的強(qiáng)度較完整管段有所降低。供熱管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏工質(zhì)首先會(huì)流入管道保溫層中，滲流至強(qiáng)度高、耐腐蝕的外護(hù)管[10-11]時(shí)，由于外護(hù)管的阻擋泄漏工質(zhì)會(huì)沿著保溫層向兩端滲流，當(dāng)滲流經(jīng)過(guò)管段接口或工藝不完善處，泄漏工質(zhì)開(kāi)始向供熱管道周?chē)耐寥乐袧B流。因此了解泄漏工質(zhì)在保溫層中的滲流情況，對(duì)于完整了解供熱管道發(fā)生泄漏時(shí)的情況具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于埋地供熱管道的泄漏后，管道周?chē)寥拉h(huán)境的變化情況進(jìn)行了部分研究。申金波[12]和袁朝慶等 [13]分別建立了直埋供熱管道泄漏的二維、三維數(shù)值模型，利用Fluent軟件對(duì)直埋供熱管道泄漏前后土壤的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Matjaz等[14]建立了埋在混凝土管道中供熱管道泄漏的三維數(shù)值模型，利用Fluent軟件模擬研究了供熱管道泄漏前后其周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的變化情況。陳述等[15]建立了埋地供熱管道小泄漏實(shí)驗(yàn)，分別利用ROTDR光纖傳感器與熱敏電阻對(duì)管道泄漏后土壤的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了兩個(gè)溫度場(chǎng)之間的映射關(guān)系。Wu等[16]利用CFD軟件對(duì)埋地供熱管道泄漏后的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，將泄漏后的溫度場(chǎng)分為了高溫區(qū)、溫度梯度區(qū)和土壤自然溫度區(qū)。余本海[17]通過(guò)Fluent軟件數(shù)值模擬了管道入口壓力、漏孔朝向和土壤孔隙率等對(duì)埋地蒸汽管道泄漏后土壤溫度場(chǎng)變化的影響。吳晉湘等[18]利用相似原理搭建了直埋供熱管道泄漏實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了泄漏孔朝向等因素對(duì)管道泄漏前后土壤溫、濕度場(chǎng)變化情況的影響。劉宜霖等[19]建立了直埋供熱管道泄漏后熱水在土壤中滲流的三維數(shù)值，利用Fluent軟件模擬研究了泄漏孔徑等因素對(duì)管道泄漏前后其周?chē)寥罍?、濕度?chǎng)變化情況的影響。Wang等[20]提出一種紅外熱像耦合土壤溫濕度變化特性的埋地管道泄漏故障檢測(cè)方法。

本文搭建了用于模擬實(shí)際管段泄漏的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立了用于描述泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流特性的三維數(shù)學(xué)模型并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。模擬研究了管道入口壓力、泄漏孔徑、泄漏孔朝向等因素對(duì)于供熱管道泄漏時(shí)泄漏工質(zhì)在保溫層中流動(dòng)特性的影響，為完整研究管道泄漏過(guò)程及其檢測(cè)領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

本文搭建了用于模擬實(shí)際管段泄漏的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建于承德熱力集團(tuán)換熱站內(nèi)，實(shí)驗(yàn)管段采用新制備的聚氨酯發(fā)泡管段，管段的內(nèi)徑為25 mm，壁厚3 mm，泄漏孔位于管道正上方，泄漏孔直徑為1.5 mm，管段外包裹30 mm厚的聚氨酯保溫層及2 mm厚的外護(hù)管。通過(guò)軟管將換熱站內(nèi)二次網(wǎng)出水口連接至管段入口，再將管段出口通過(guò)軟管連接至水箱。實(shí)驗(yàn)管段上保溫層長(zhǎng)度分別為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1000 mm，各保溫層段間隔300 mm以避免其之間相互影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，在各保溫層段兩端固定吸水紙，便于觀察泄漏工質(zhì)滲流至保溫層段截面的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先開(kāi)啟二次網(wǎng)出水口處閥門(mén)，當(dāng)熱水流至實(shí)驗(yàn)管段時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)管段出口處閥門(mén)，將實(shí)驗(yàn)管段內(nèi)壓力迅速調(diào)整至實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)壓力，記錄泄漏工質(zhì)滲流至各保溫層段截面處所需滲流時(shí)間，實(shí)驗(yàn)完成后更換管段進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)工況，重復(fù)上述操作。供水壓力0.14 MPa為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次取平均值作為泄漏工質(zhì)滲流至各保溫層段截面處所需滲流時(shí)間的最終值，計(jì)算泄漏工質(zhì)在各保溫層段內(nèi)的平均滲流速度，將供水壓力調(diào)整為0.17 MPa、0.2 MPa，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

如圖3所示，根據(jù)所記錄的不同供水壓力條件下，各保溫層段中泄漏工質(zhì)首次滲出時(shí)間，根據(jù)式（1）計(jì)算得到的泄漏工質(zhì)在各保溫層段中的平均滲流速度。由圖3可以看出，在相同供水壓力條件下，泄漏工質(zhì)的平均滲流速度隨保溫層段長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)供水壓力為0.2 MPa時(shí)，泄漏工質(zhì)在100 mm保溫層段內(nèi)的平均滲流速度為8.34 mm/s，而1 000 mm保溫層段內(nèi)平均滲流速度僅為1.04 mm/s。隨著供水壓力的增加，泄漏工質(zhì)在相同長(zhǎng)度保溫層段中的平均滲流速度逐漸增大，當(dāng)供水壓力由0.14 MPa增至0.2 MPa時(shí)，泄漏工質(zhì)在100 mm保溫層段內(nèi)的平均滲流速度由3.94 mm/s增至8.34 mm/s，增大了約2.1倍。

式中：[vi]為泄漏工質(zhì)在第i段保溫層內(nèi)滲流的平均速度，mm/s；[Li]為第i段保溫層的長(zhǎng)度，mm；[ti]為泄漏工質(zhì)在第i段保溫層內(nèi)滲流所需時(shí)間，s。

2 模型構(gòu)建

2.1 物理模型

圖4為依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，建立的供熱管道物理模型，管道的內(nèi)徑為25 mm，壁厚為3 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm，管道外包裹30 mm厚的聚氨酯保溫層，泄漏孔位于管道中央正上方，泄漏孔直徑分別為1 mm、1.5 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。本文利用DM軟件建立了泄漏管道模型，利用Mesh軟件對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，且對(duì)泄漏孔附近網(wǎng)格進(jìn)行了加密，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定最終網(wǎng)格數(shù)為67萬(wàn)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

泄漏工質(zhì)通過(guò)泄漏孔進(jìn)入多孔介質(zhì)聚氨酯保溫層驅(qū)替孔隙氣體，屬于氣液兩相流動(dòng)過(guò)程，故采用VOF方程進(jìn)行描述；過(guò)程中存在熱量傳遞，打開(kāi)能量方程；假設(shè)聚氨酯保溫層為均勻多孔介質(zhì)且具有各向同性，設(shè)置多孔介質(zhì)的孔隙率為0.9，黏性阻力系數(shù)為5.23×1012 m?2，慣性阻力系數(shù)為2.08×107m?1；通過(guò)計(jì)算，熱水在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的雷諾數(shù)大于4 000，屬于湍流流動(dòng)過(guò)程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行描述[21]。

連續(xù)性方程為

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；i代表x、y、z，如i為x，[ui]就表示x方向上的分速度，m/s。

動(dòng)量方程為

式中：u為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；p為孔隙壓力，Pa；[gi]為重力加速度在i方向的分量，取y方向的分量為9.81 m/s2，x、z方向分量為0；[Si]是i方向的動(dòng)量方程的源項(xiàng)。

能量方程為

式中：γ為多孔介質(zhì)的孔隙率；E為總能，J；下標(biāo)f，s分別代表多孔介質(zhì)中流體相與固體相；P為流場(chǎng)勢(shì)能，J；T為流場(chǎng)溫度，K；[hm]為m組分焓，J；[Jm]為m組分?jǐn)U散通量；[Sh]為流體焓的源項(xiàng)；[Keff]為多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱率，W/（m·K）。[Keff]可表示為：[Keff=γkl+（1-γ）ks]，其中[kl]，[ks]分別為流體和固體的導(dǎo)熱率，W/（m·K）。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型如下所示。

湍流動(dòng)能k為

湍流耗散率ε為

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；[xi]和[xj]為對(duì)應(yīng)的位置；[ui]為[xi]方向的速度，m/s；μ為黏度，Pa·s；[μt]為湍流黏度；[Gk]表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；[Gb]表示由于浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；[YM]表示湍流中的過(guò)度擴(kuò)散引起的波動(dòng)；[C1ε]、[C2ε]和[C3ε]為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值分別為[C1ε=1.44]、[C2ε=1.92]、[C3ε=-0.33]；[σk=1.0]和[σε=1.30]分別是k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；[Sk]為湍流動(dòng)能的源項(xiàng)；[Sε]為湍流耗散率的源項(xiàng)。

2.3 初始條件和邊界條件

管道入口熱水溫度為50 ℃，聚氨酯密度為60 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/（m·K）[22]，管道的壁面粗糙度為0.05 mm，粗糙度常數(shù)為0.5。將管道入口設(shè)為速度入口，管道出口與保溫層截面設(shè)為壓力出口，管道壁面和保溫層外壁面為耦合傳熱壁面。

2.4 求解方法

控制方程采用有限體積法離散，離散格式為二階迎風(fēng)差分格式，采用Pressure-based求解器以及適用于瞬態(tài)計(jì)算的SIMPLE算法對(duì)壓力速度耦合進(jìn)行求解。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s，每個(gè)步長(zhǎng)迭代200次。

2.5 模型驗(yàn)證

本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了管道入口壓力為0.17 MPa，泄漏孔徑為1.5 mm時(shí)，泄漏工質(zhì)在各保溫層段內(nèi)滲流的情況，通過(guò)在保溫層段兩端截面處建立監(jiān)測(cè)面，當(dāng)泄漏工質(zhì)滲流至監(jiān)測(cè)面時(shí)，利用Fluent后處理軟件提取其在保溫層內(nèi)的滲流速度并計(jì)算其平均值，得到泄漏工質(zhì)在各保溫層段中平均滲流速度的模擬值。如圖5所示，為管道入口壓力0.17 MPa時(shí)，泄漏工質(zhì)在各保溫層段中平均滲流速度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為13.8%，平均誤差小于7%，本文所建立的數(shù)學(xué)模型可以用于模擬供熱管道泄漏時(shí)泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流。

3 模擬結(jié)果與結(jié)果分析

3.1 管道入口壓力

管道入口壓力對(duì)于泄漏工質(zhì)在保溫層中的流動(dòng)特性有十分顯著的影響。如圖6所示，泄漏孔徑為1.5 mm，管道入口壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa時(shí)管道中心處x-y平面與y-z平面上的壓力云圖。由圖6可以看出，隨著管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流時(shí)的壓力越大。

如圖7所示，分別為管道入口壓力0.2～0.5 MPa，泄漏孔徑1.5 mm時(shí)，管道中心沿泄漏孔中心線(xiàn)至保溫層外表面的直線(xiàn)上的壓力分布與壓力梯度。由圖7a）可以看出，隨著管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)從管道流入泄漏孔過(guò)程中的壓力損失增大，流入保溫層的初始?jí)毫υ龃?。泄漏工質(zhì)流入保溫層時(shí)由于受到極大的介質(zhì)阻力，滲流壓力迅速降低，且隨著管道入口壓力的增大，壓力降低的越多，但到達(dá)保溫層外表面時(shí)的壓力越大。由圖7b）可以看出，隨著管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)在整個(gè)泄漏過(guò)程中的壓力梯度增大。當(dāng)泄漏工質(zhì)從管道流入泄漏孔時(shí)，其壓力梯度迅速降低，這是因?yàn)樾孤┛赘浇膲毫墓艿缐毫ν蝗幌陆档酱髿鈮毫Γ孤┛滋幮纬缮淞?，泄漏工質(zhì)的壓力迅速降低。泄漏工質(zhì)從泄漏孔流入保溫層的過(guò)程中壓力梯度逐漸增大，這是因?yàn)樾孤┕べ|(zhì)流至保溫層時(shí)，突然受到較大阻力，部分泄漏工質(zhì)發(fā)生回流，從而導(dǎo)致泄漏孔中壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在泄漏孔內(nèi)部。隨著泄漏工質(zhì)流入保溫層，在保溫層內(nèi)滲流的過(guò)程中受到極大的介質(zhì)阻力，從而導(dǎo)致泄漏工質(zhì)的壓力驟然降低，隨著泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流其壓力與壓力梯度逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖8所示，分別為管道入口壓力0.2～0.5 MPa，泄漏孔徑1.5 mm時(shí)，泄漏孔中心線(xiàn)向保溫層延伸3 mm處，平行于管道軸線(xiàn)的直線(xiàn)上的壓力分布與壓力梯度。由圖8a）可以看出，隨著管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)在保溫層中沿管道軸向的滲流壓力越大，當(dāng)管道入口壓力由0.2 MPa增大至0.5 MPa時(shí)，泄漏孔正上方3 mm處泄漏工質(zhì)壓力由0.018 7 MPa增至0.069 3 MPa，壓力值增大了約3.7倍。泄漏工質(zhì)在滲流20 mm距離內(nèi)其壓力迅速降低，管道入口壓力為0.5 MPa時(shí)，壓力值由0.069 3 MPa降低至0.035 1 MPa，降低了0.034 2 MPa，當(dāng)管道入口壓力為0.2 MPa時(shí)，壓力值由0.018 7 MPa降低至0.009 5 MPa，降低了0.009 2 MPa，隨著滲流距離的增大，壓力逐漸趨于線(xiàn)性降低。由圖8b）可以看出，隨著管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)在保溫層中沿管道軸向滲流的壓力梯度越大，泄漏工質(zhì)在滲流0.02 m距離內(nèi)其壓力梯度迅速降低，隨著滲流距離的增大，壓力梯度逐漸趨于平緩，這是因?yàn)殡S管道入口壓力的增大，泄漏工質(zhì)流入保溫層的初始?jí)毫υ酱?，在保溫層中沿管道軸向滲流的初始?jí)毫υ酱螅虼诵孤┕べ|(zhì)在保溫層中沿管道軸向滲流的壓力與壓力梯度越大。

3.2 泄漏孔徑

如圖9所示，管道入口壓力0.2 MPa，泄漏孔徑分別為3 mm、4 mm時(shí)，管道中心處x-y平面與y-z平面上的壓力云圖。由圖9可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流時(shí)的壓力越大。

如圖10所示，分別為泄漏孔徑1～5 mm，管道入口壓力0.2 MPa時(shí)，管道中心沿泄漏孔中心線(xiàn)至保溫層外表面的直線(xiàn)上的壓力分布與壓力梯度。由圖10a）可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)從管道流入泄漏孔過(guò)程中的壓力損失減小，流入保溫層的初始?jí)毫υ龃?，滲流至保溫層外表面處時(shí)的壓力越大。由圖10b）可以看出隨著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)由管道流經(jīng)泄漏孔的過(guò)程中產(chǎn)生的壓力梯度越小，在保溫層中滲流時(shí)的壓力梯度越大，這是因?yàn)殡S著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)由管道沿泄漏孔中心線(xiàn)流至保溫層時(shí)局部阻力對(duì)其產(chǎn)生的影響減小，流經(jīng)泄漏孔時(shí)的壓力損失減小，壓力梯度越小，而流入保溫層的初始?jí)毫υ龃笤诒貙又袧B流的壓力梯度越大。

如圖11所示，分別為泄漏孔徑1～5 mm，管道入口壓力0.2 MPa時(shí)，泄漏孔中心線(xiàn)向保溫層延伸3 mm處，平行于管道軸線(xiàn)的直線(xiàn)上的壓力分布與壓力梯度。由圖11a）可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)在保溫層中沿管道軸向的滲流壓力越大，當(dāng)泄漏孔徑由1 mm增大至5 mm時(shí)，泄漏孔正上方3 mm處泄漏工質(zhì)壓力由0.014 2 MPa增至0.044 4 MPa，壓力值增大了約3倍。由圖11b）可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，沿保溫層平行于管道軸線(xiàn)的直線(xiàn)上壓力梯度越大，這是因?yàn)殡S著泄漏孔徑的增大，泄漏工質(zhì)流經(jīng)泄漏的過(guò)程中壓力損失越小，流入保溫層的初始?jí)毫χ翟酱螅诒貙又醒毓艿垒S向滲流的初始?jí)毫υ酱?，因此泄漏工質(zhì)在保溫層中沿管道軸向滲流的壓力與壓力梯度越大。

3.3 泄漏孔朝向

如圖12所示，管道入口壓力0.2 MPa、泄漏孔徑1.5 mm，泄漏孔不同朝向時(shí)，泄漏孔中心線(xiàn)向保溫層延伸3 mm平行于管道軸線(xiàn)的直線(xiàn)上的壓力分布。由圖12可以看出，當(dāng)泄漏孔位于管道正下方時(shí)，泄漏孔中心線(xiàn)向保溫層延伸3 mm處泄漏工質(zhì)的壓力值為0.025 3 MPa，較泄漏孔位于管道正上方下時(shí)的壓力值0.018 7 MPa，增大了1.3倍。泄漏孔朝向趨近于管道正下方時(shí)，泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流時(shí)的壓力越大，這是因?yàn)楫?dāng)泄漏孔朝向由管道正上方逐漸趨于管道正下方時(shí)，泄漏工質(zhì)由管道向保溫層滲流的過(guò)程中重力由阻力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛兄谛孤┕べ|(zhì)由管道向外泄漏的力，因此當(dāng)泄漏孔朝向趨近于管道正下方時(shí)，泄漏工質(zhì)在保溫層中的壓力越大。

4 結(jié)論

本文搭建了用于模擬實(shí)際管段泄漏的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立了用于描述泄漏工質(zhì)在保溫層中滲流特性的三維數(shù)學(xué)模型并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，模擬研究了管道入口壓力、泄漏孔徑、泄漏孔朝向等因素對(duì)泄漏工質(zhì)在保溫層中流動(dòng)特性的影響。得到如下主要結(jié)論：

1）在相同供水壓力下，泄漏工質(zhì)在保溫層內(nèi)的平均滲流速度隨保溫層段長(zhǎng)度的增加逐漸降低，供水壓力為0.2 MPa時(shí)，泄漏工質(zhì)在100 mm保溫層段內(nèi)的平均滲流速度為8.34 mm/s，而1 000 mm保溫層段內(nèi)平均滲流速度僅為1.04 mm/s。供水壓力越大，相同長(zhǎng)度保溫層段內(nèi)泄漏工質(zhì)的平均滲流速度越大，當(dāng)供水壓力由0.14 MPa增至0.2 MPa時(shí)，泄漏工質(zhì)在100 mm保溫層段內(nèi)的平均滲流速度由3.94 mm/s增至8.34 mm/s，增大了約2.1倍。

2）泄漏工質(zhì)進(jìn)入保溫層的初始?jí)毫﹄S管道入口壓力、泄漏孔徑的增大而增大，在進(jìn)入保溫層的初始階段，由于受到極大的介質(zhì)阻力，泄漏工質(zhì)的壓力會(huì)迅速下降，其壓降梯度隨管道入口壓力的增大而增大，隨泄漏孔徑的增大而減小。

3）泄漏工質(zhì)向保溫層兩端滲流20 mm內(nèi)其壓力迅速降低，且隨著滲流距離的增大，壓力逐漸趨于線(xiàn)性降低。泄漏工質(zhì)向保溫層兩端滲流時(shí)的壓力，隨管道入口壓力、泄漏孔徑的增大而增大，泄漏孔朝向越趨于管道正下方，泄漏工質(zhì)的壓力越大。

4）通過(guò)分析各因素下泄漏工質(zhì)在保溫層內(nèi)滲流時(shí)的壓力，得出管道入口壓力對(duì)于泄漏工質(zhì)在保溫層中流動(dòng)特性的影響最大、泄漏孔徑次之、泄漏孔朝向?qū)ζ溆绊懽钚　?/p>

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