(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870)
摘 要：針對輸氣管道內檢測器的運行速度的控制方法，研究了內檢測器泄流裝置的流場計算問題。通過管道內檢測器的機械結構建立仿真模型，運用有限元計算流體力學分析軟件ANSYS CFX和ICEM CFD，對泄流狀態下，管道內檢測器的泄流孔采取不同面積時的流場進行了數值模擬。分析了管道內檢測器泄流裝置的氣體壓強分布云圖和氣流速度場流線圖，得到泄流面積不同的情況下的壓力差，對進行管道內檢測器速度控制提供了依據。
關鍵詞：管道內檢測器；輸氣管道； 速度控制； 計算流體力學； 流場仿真； 湍流模型
中圖分類號：TB126 文獻標識碼：A 文章編號：
Flow field simulation of inspection tool with the drainage device in gas pipeline
BA Yong-feng，YANG Li-jian，XING Yan-hao
（School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, shenyang,110870,China）
Abstract：In order to solve the method to control the speed of in-line inspection tools within gas pipeline, through flow field simulation, computed the detector aerial drainage installment flow field. Through the pipeline in detector's mechanism establishment simulation model, based on computational fluid dynamics software ANSYS CFX and ICEM CFD, simulated the numeration of in-line inspection tools aerial drainage when adopted the flow field in different area has carried on the numerical simulation with the aerial drainage condition. Analyzed in the pipeline the detector aerial drainage installment gas intensity of pressure distribution cloud chart and the gas flow field streamlines pattern, obtained pressure in aerial drainage area with different situation, and provides support for control in-line inspection tool speed within the gas pipeline.
Keywords：Pipeline inner inspection tool; Gas pipeline; Speed control; Computational fluid dynamics; Flow field simulation; Turbulence model
1引言
輸氣管道內檢測器在管道中靠氣體傳輸壓力驅動行進，控制內檢測器運行速度在合理的范圍內，有助于提高對管道缺陷的檢測精度。通過控制泄流裝置上泄流孔開口的大小，改變內檢測器前后氣壓差，從而控制內檢測器的運行速度保持在最佳的范圍內[1]。目前，計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD）已廣泛應用于工程仿真中，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值仿真、計算機模擬和分析研究，以解決各種工程與科研問題。在長輸氣管道內，氣體的傳送壓力驅動管道內檢測器在管道內前進。針對如何控制管道內檢測器運行速度的問題，對泄流狀態下管道內檢測器的流場進行了數值仿真的研究。
2輸氣管道內檢測器泄流模型
2.1輸氣管道內檢測器速度控制原理
輸氣管道內檢測器在管道中運動時，氣體流經泄流裝置會產生氣體壓力的變化。通過管道內氣體氣壓形成的推力，為其提供前進的驅動力，推動管道內檢測器在輸氣管道中運行。當內檢測器運行速度過快時，需要增大泄流孔面積，使流經泄流孔的氣體流量增大，減小內檢測器前后的氣體壓差，達到減緩內檢測器運行速度的目的。同樣，當內檢測器的速度過慢時，可以使泄流孔面積縮小，從而減小氣體通過泄流孔的流量，最終使內檢測器的速度增大，達到合理的運行速度。本文進行仿真研究的模型是根據輸氣管道內檢測器泄流裝置結構圖簡化而來的。泄流裝置結構圖如圖1所示。
圖1 輸氣管道內檢測器速度控制單元結構圖
泄流裝置的機械結構相對復雜，建立仿真模型時可以只考慮氣流流經的主要路徑，如上圖所示，絕大多數的氣體分子從進氣孔流入，從泄流孔流出。鋼刷與管道內壁之間區域也會流經少量氣體分子，可以忽略不計。
2.2內檢測器泄流裝置模型
輸氣管道內檢測器泄流裝置是一個復雜的曲面造型實體，按照其真實結構來建立仿真計算模型非常困難。而且對于復雜的流體力學問題，復雜模型的網格生成過程極為耗時，對復雜模型仿真的運算量也會很大。為了研究內檢測器速度控制系統對氣壓的影響，計算模型可以按照真實模型的特征結構來簡化，保留其影響流場顯著的結構部件，忽略次要結構。這樣既可以保證內檢測器周圍流場的真實性，也可以減少計算量。內檢測器泄流裝置模型如圖2所示。
圖2 內檢測器泄流裝置模型
圖中，每個單位時間內流進進氣孔的氣體分子數量等于每個單位時間內流出泄流出氣孔的
氣體分子數量
[2]。
3氣體流場分析
由于輸氣管道內檢測器周圍氣體流動是極其復雜的三維湍流模型，具有強瞬變性、強壓縮、強旋轉等特點。這使得輸氣管道內檢測器周圍湍流的復雜性和典型性在各類流動中是罕見的�？紤]到可壓縮氣體的流動模擬更接近管道內檢測器周圍流場的實際流動，管道內檢測器運行過程中內檢測器周圍繞流為充分發展的湍流。將湍流分解成平均運動和脈動運動兩部分之和，在引入湍流脈動速度對雷諾方程組時間平均時，產生了未知的附加雷諾應力項，需采用湍流模型來解決時均方程組的封閉問題 [3]。
流場運動中，流體運動基本方程是根據基本物理定律質量守恒、動量守恒、能量守恒定律按一定的流體流動模型推導的[4]，利用流體運動基本方程，對這些守恒定律進行數學描述。
3.1質量守恒方程
質量守恒定律是指單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可以得出質量守恒方程：
（1）
3.3能量守恒方程
能量守恒定律是指微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。按照這一定律，得出能量守恒方程：
4計算網格生成與數值計算分析
流體力學的計算過程中，納維—斯托克斯方程組需要利用離散數值方法求解。劃分網格的作用就是用來離散偏微分方程組。
網格是流體力學模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體。網格生成對數值模擬結果有著很重要的作用，網格質量對模擬精度和計算效率有重要影響。
ICEM CFD的網格劃分模塊，與傳統的網格生成工具相比，用戶在很短的時間內便可生成高質量的網格，為ANSYS CFX軟件提供高效可靠的分析模型。
ICEM CFD具有豐富的網格劃分工具與強大的網格編輯能力
[5]。它的網格工具有網格預報、網格裝配、拖拉網格、自動忽略細節等特征。ICEM CFD網格編輯功能包括網格質量檢查和診斷、修補處理、網格變換、網格劈分、密度調整、合并或移動節點、刪除或增加節點、重新指定面、體單元方向以及類型轉換等編輯功能。
1）建立模型，構成網格劃分的載體。對于三維問題，幾何模型是三維實體；
2）導入所建模型，確定計算區域。通過四面體網格和六面體網格生成模塊，建立內檢測器模型的拓撲結構；
3）確定網格類型、網格單元和網格密度，對面或體進行劃分并設定最大單元尺寸，起始單元的高度，以及增長率；
4）設置邊界區域，定義模型各個區域的名稱和邊界類型，為設定模型的物理參數、邊界條件和初始條件做好準備；
5）在指定投影參數的情況下，生成網格并檢查其質量是否滿足要求值；
6）最后輸出指定的解算器文件，通過ANSYS CFX軟件進行仿真計算。
生成的網格模型如圖3所示。
圖3模型結構圖
此網格模型為
泄流孔面積是管道橫截面積60%時的模型。網格元素類型的信息為：六面體網格：370144，四面體網格：27044，元素總數：398256，節點總數：380954。
4.2仿真數值計算
應用ANSYS CFX處理器進行管道內檢測器流場仿真計算時，從ICEM CFD中導入網格直接選擇ICEM CFD網格格式。在所需要進行模擬計算區域的外表面上，需要設置計算域的邊界條件參數以及域參數。
1）邊界條件參數的確定
邊界條件是指求解域的邊界上所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律。所有CFD問題都需要有邊界條件。在邊界條件的設置中，入口的邊界條件可用于設置流動邊界的速度分量、法相速度、質量流等的分布。出口的邊界條件用于設置流動邊界的平均靜壓、靜壓等的分布。壁面的邊界條件用于設置流動邊界的粗糙程度、滑移程度等條件[6]。邊界條件的設置對收斂性和結果的準確性有非常大的影響。在確定設置過程中，需要按照實際參數來選取介質參數和物理參數，設置正確合理的材料參數是進行仿真分析的前提。
根據計算需要，選取最穩健的設置。即入口邊界條件：在次音速下，法向速度設置4m/s。出口邊界條件：靜壓力設置為12MPa。壁面和孔徑的邊界條件設置為：選取無滑移并且絕熱的標準壁面。
在求解計算之前，可通過Solver control設置時間步長、迭代次數以及收斂精度等。設定所需邊界條件之后，通過Write Solver File寫出*.def文件進行求解計算。
2）域參數的確定
在運用ANSYS CFX進行計算之前，需要對計算對象進行域參數設置。具體的域參數設置如表1所示。
表1 解算過程的域參數設置
|
求解參數 |
參數設置 |
|
強度 |
10% |
|
剩余目標 |
1.E-4 |
|
時間刻度控制 |
自動時間刻度 |
|
平流方案 |
高解析度 |
|
最大迭代次數 |
100 |
劃分好的網格文件輸出到ANSYS CFX軟件中的求解器進行收斂性判斷，開始迭代計算。根據殘差曲線圖的收斂情況可以判斷出網格劃分合理性并且求得結果。
4.3實驗結果分析
ANSYS CFX可以有多種方式顯示和輸出計算結果，例如，可以顯示速度矢量圖、速度云圖、壓力等值線圖、壓力云圖、流線圖等。實驗中假設介質為25℃的空氣，對泄流孔前后的情況進行分析，得到流經內檢測器泄流孔前后的氣流速度的分布情況，如圖4所示。
圖4 流場流線圖
在流體流入泄流孔之前，速度的變化范圍不明顯，說明流體的流速在上游區域是比較穩定的，流出泄流孔之后的速度的變化明顯加快。從整個流場的速度分布來看，內檢測器下游的變化遠比上游的變化劇烈。
通過流體流速變化可以說明，泄流孔上游的氣體壓力值是恒定的，當流體流入泄流孔之后，壓力值產生變化。為了求取泄流孔前后的氣體壓力差，可以在選取泄流裝置進氣孔以及泄流出氣孔這兩個面的壓力平均值，求得壓力差，如表2所示。
表2實驗結果
|
泄流開口面積比值 |
上游壓力（KPa） |
下游壓力（KPa） |
壓差（KPa） |
|
40% |
12021.7 |
12011.5 |
10.2 |
|
50% |
12019.8 |
12013.6 |
6.2 |
|
60% |
12017.8 |
12016.3 |
1.5 |
結果反映出不同泄流孔面積下的壓差，泄流面積從40%到50%，壓差增加了4KPa；泄流面積從50%到60%，壓差增加了4.7KPa。表明隨著泄流面積的增加，壓差降低幅度增大，推動力減小。
通過已知泄流面積及計算出其所對應的氣體壓差，更為準確的調節內檢測器前后氣體壓差，從而控制輸氣管道內檢測器的運行速度。
5結論
針對輸氣管道內檢測器泄流裝置內外流場的數值模擬，可以有效地分析模型的流場。把建模與流場分析相結合，運用到內檢測器前后氣體壓差的控制，從而調節內檢測器的運行速度，使其穩定在最佳的速度范圍之內。
運用ANSYS CFX軟件模擬了輸氣管道內檢測器的內外流場，得到了氣體壓力值與氣流速度值。通過分析流場流線圖，驗證了隨著開口面積比值增大，內檢測器上下游的壓力差逐漸減小，推力越大，內檢測器的速度越快。
參考文獻 (References)
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作者簡介：巴永峰 碩士 沈陽工業大學信息科學與工程學院學生
基金項目：國家自然基金儀表專項基金資助項目（60927004） 
