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摘要：供热管道泄漏声源的特性决定了泄漏检测次声波法在供热管道中的适用性和准确性。为研究供热管道泄漏声源特性， 首先 对泄漏声波的发声机理进行了理论分析， 建立了供热管道泄漏的物理模型， 对泄漏区域的流场以及声场进行仿真模拟， 通过对不 同泄漏孔径、不同管内压力等因素影响下的泄漏信号进行分析， 得出供热管道泄漏声源的声压幅值随泄漏孔径、管内压力的变化 规律以及泄漏信号的主要频率范围。最后， 搭建了供热管道泄漏检测实验平台， 在实验管道首尾两端安装次声波传感器， 对泄漏 产生的低频声信号进行采集， 分析不同工况下泄漏信号的变化规律并与仿真结果进行比对。结果表明： 供热管道泄漏声源中心频 率为 1 Hz; 管道泄漏声压幅值随泄漏孔孔径以及管内压力的增大而增大。研究结果对次声波法在供热管道泄漏检测中的工业应用 提供了理论依据。
关键词：供热管道,声源特性,次声波,仿真模拟
Simulation and Experiment of Sound Source Characteristics from Heat Supply Pipeline Leakage
Sun Shaojie1. Qiao Lei2. Li Yong1. Liu Shengguan2. Zhang Qiang3
( 1. Huaneng Qingdao Thermal Power Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266409. China;
2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054. China;
3. School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, Shandong 266525. China) Abstract: The characteristics of the sound source of the leakage of the heating pipeline determine the applicability and accuracy of the leak detection infrasonic method in the heating pipeline. In order to study the characteristics of the sound source of the leakage of the heating pipeline, the sound mechanism of the leakage sound wave is theoretically analyzed, the physical model of the leakage of the heating pipeline is established, and the flow field and sound field in the leakage area are simulated. The leakage signal under the influence of different pipe pressure and other factors is analyzed, and the variation law of the sound pressure amplitude of the leakage sound source of the heating pipeline with the leakage aperture, the pressure in the pipe and the main frequency range of the leakage signal are obtained . Finally, an experimental platform for leakage detection of heating pipelines is built, and infrasonic sensors are installed at the beginning and end of the experimental pipeline to collect the low-frequency acoustic signals generated by the leakage, analyze the variation laws of the leakage signals under different working conditions, and compare them with the simulation results. The results show that the leakage sound source of the heating pipeline is
mainly dipole sound source, the center frequency is 1 Hz. The research results provide a theoretical basis for the industrial application of the infrasound method in the leakage detection of heating pipes.
Key words: heating pipes; sound source characteristics; infrasonic wave; simulation
引言
供热管网承担着热源输送、分配任务， 是供热系统 的重要组成部分。近年来随着管网使用年限的增大， 管道泄漏事故频发， 对人身财产安全造成了极大损失[1] 。因此对供热管道进行泄漏定位势在必行。
目前的管道检测方法中的次声波法具有动态无损检测的特点， 具有良好的发展前景。而管道泄漏声源特性决定了次声波法的适用性和准确性， 因此成为了众多机 构及高校学者的研究热点[2-7]。闫成稳等[8]建立了气体管 道泄漏的物理模型并进行了相关试验， 证明了气体管道 泄漏声波能量在 50 Hz 以下， 声源以四极子声源为主。 韩宝坤等[9] 对天然气管道弯头泄漏流畅及声场进行了仿 真模拟， 实验验证了弯管处泄漏声波能量集中在 10 Hz 以下。李尧斌等[10]通过实验研究了圆形、矩形、三角形孔对泄漏信号的影响， 得到了泄漏声源随泄漏孔型的变 化规律。张曼等[11] 运用 Fluent 及 LMS Virtual.Lab 软件对供热管道泄漏流场与声场特性进行了仿真模拟， 但缺乏 实验验证。周桂久等[12]对气体管道泄漏时的气体流速进 行了仿真模拟， 研制了次声波泄漏检测系统， 但未对泄 漏声源进行细致研究。方丽萍等[13]研究了气液混输管道 的泄漏声波产生机理， 证明了泄漏孔径、泄漏流量是气 液混输管道泄漏声波波动的主要影响因素。
以上研究大多针对气体管道泄漏声源特性进行了仿 真分析， 针对供热管道的仿真及实验研究较少且不够深 入。本文建立了供热管道泄漏物理模型， 对管道受管内 压力、泄漏孔径等因素影响进行了仿真分析并与实验结 果进行比对， 明确了泄漏声源的中心频率和变化规律。 本文的研究成果对供热管道次声波法泄漏检测的应用提 供了理论依据。
1 理论分析
供热管道发生泄漏之后， 管道内的高压流体突然释 放， 高压冲击波在泄漏孔内壁上被激发， 从而产生声波。 管道中的声波有 4种模式： 沿管壁传播的纵波; 管壁中 的扭变波; 管壁中的弯曲波以及沿管内介质传播的纵波。 其中管壁中的扭变波与管内介质没有发生耦合， 弯曲波 对介质中的声传播影响不大，因此只对沿介质和管壁的纵波进行研究。描述供热管道泄漏声场的数学模型如下[14]：
式 (1) 等号左侧为传统声学波动方程的形式， 右侧 为与管道泄漏流场参数有关的声源项。
2 仿真模拟
2.1 模型建立与网格划分
供热管道泄漏模型如图 1 所示， 其中管道内径为 80 mm， 壁厚为 4 mm， 管长为 300 mm， 管道中间点设 置泄漏孔。
对所建立的泄漏模型进行网格划分， 为了精确计算 泄漏孔处的流场数据， 对泄漏孔口周边区域进行局部网 格加密处理[15]， 网格大小取 0.5 mm， 如图 2 所示。
2.2 泄漏流场仿真结果
为进行泄漏声源特性研究， 需获得管道泄漏处流体 与管壁耦合处以及流体通过泄漏孔喷流区域的流体介质 流速。借助 Fluent 软件对泄漏流场区域进行模拟， 从而 获得泄漏区域流体的流动速度。管内介质为水， 由于低 速流动下水的压缩性可忽略不计， 设置管内介质为不可 压缩理想流体， 介质温度为 90 ℃， 设置模型边界条件， 入口流速设置为 5 m/s， 选用 k-ϵ湍流模型进行稳态计算， 瞬态计算采用 LES 大涡模拟， 设置计算步长为 0.001 s， 步 数 为 1 000 步， 来 模 拟 管 道 泄 漏 瞬 间 的 流 体 流 动 状 态 。
图 3~4 为管内压力为 0.4 MPa， 泄漏孔径为 5 mm 时 的泄漏流场速度以及压力云图。由图可以看出， 泄漏孔 附近流体速度增大， 最高达 30 m/s; 泄漏流场压力减小， 从初始管内压力 0.4 MPa 迅速减小到 0. 1 MPa， 并且在背 离流动速度方向产生了负压。
最后将流场计算后的数据导入 Virtual.Lab 声学软件 中进行计算， 仿真时将管道出入口面定义为无反射边界 条件， 声学计算后结果如下。
2.3 泄漏声场仿真结果
图 5 为管内压力同为 0.4 MPa， 泄漏孔径为 1 、3 、5、 7 mm 时泄漏声压频域特性曲线， 图 6 为泄漏孔径同为7 mm， 管内压力为 0.1 、0.2 、0.3 、0.4 MPa 时泄漏声压频 域特性曲线， 对仿真结果进行分析可知：
( 1 ) 供热管道泄漏声信号能量主要集中在次声频段 ( 0~20 Hz)， 其中在 1 Hz处声压值最大;
( 2) 在泄漏声压幅值随着管道泄漏孔径的增大而增 大， 随着管内压力的提升而增大。
3 实验验证
为了验证仿真的可行性和准确性， 搭建了管道泄漏 检测实验平台， 由于实验室条件限制， 根据相似原理平 台管道内部流体介质以自来水代替， 在实验平台管道始 末安置次声波传感器对管道泄漏声波信号进行实时采集。 实验平台整体布局如图 7 所示。
3.1 实验平台搭建
为了保证本实验平台能够连续调节管道内压力、流 速、流量等流场参数， 以及对供热管道中的流场及声场 参数进行数据采集， 实验平台按以下 3 部分进行搭建。
( 1) 管道部分
管道全长 100 m， 采用 DN80 的镀锌管， 管壁内径选取 4 mm， 结合研究主要内容， 泄漏孔径选择 1 、3 、5、 7 mm， 管内压力选择 0.1 、0.2 、0.3 、0.4 MPa。
( 2) 动力部分
选用 GWS-BS 型三相交流潜水泵， 水泵功率高达 35 kW， 流量 30 m3/h， 能够为测试系统提供恒压水源; 变 频器选用 ACS510 型， 功率范围为 1. 1~160 kW， 具有控 制面板， 可以进行参数设置， 实现对水泵电机工作电源 频率的调节从而控制测试平台的流场参数。
( 3) 数据采集部分
选用中科院声学所的 CASI 型次声波传感器对管道泄 漏产生的低频声波进行实时采集; 次声波传感器与数据 传输仪相连， 可通过宽带 (4G/WiFi) 网络向服务器传输 数据， 具有 GPS定位功能; 温度传感器选用 JWB 型， 压 力传感器选用 MPM486 型， 流量传感器选用德国科隆电 磁流量计， 对实验平台中流体的温度、压力、流量进行 数据采集。
( 4) 上位机部分
实验平台上位机软件界面是基于 LABView 平台进行 开发的， 用内嵌脚本及图形化编程结合的方法进行操作 界面和数据采集界面的编写。上位机界面如图 8 所示， 包括数据采集模块、去噪模块、泄漏预警模块等， 实现 了对供热管道泄漏过程的实时监控。
搭建完成的管道泄漏实验平台实物如图 9 所示。
3.2 实验过程
实验时， 将蓄水池中水加至最大水位线， 开启潜水 泵将水运输至储水罐中进行缓冲稳压。压力恒定后打开 储水罐出水口处的球阀， 使整个测试管道完全充液。调 节变频器， 增大水泵电机的转速， 使得测试管道内部压 力及流速上升， 实现对管内压力的控制。
管内液体稳定流动时， 打开泄漏球阀， 对管道泄漏 情况进行模拟。泄漏产生的次声波沿着管道传播被安置 在管道两端的次声波传感器采集。
3.3 实验结果
图 10 和图 11 分别为在管内压力为 0.4 MPa， 不同泄 漏孔径和泄漏孔径同为 7 mm， 不同管内压力下声信号变 化规律的实验结果。
由实验结果可知， 供热管道声能量主要集中在 0~10 Hz， 因为仿真设定介质为理想流体且忽略了粘滞性， 实 际情况下泄漏声波的衰减量更大， 声在中心频率 1 Hz 处 声压值达到最大值。泄漏声压幅值随着管道泄漏孔径的 增大而增大， 随着管内压力的提升而增大， 这与仿真模 拟的结果是吻合的。
4 结束语
本文针对供热管道泄漏声源特性进行了理论分析， 在此基础之上建立了物理模型。
对泄漏流场进行了仿真分析， 发现管道泄漏孔处流 体流速变化大， 由 5 m/s 瞬间提升到 30 m/s， 并在背离流 动速度方向产生了负压。在流场的基础上进行了声场计 算， 得到了泄漏声信号的声压幅值随泄漏孔径、压力的 变化规律。即泄漏声压幅值随着管道泄漏孔径的增大而增大， 随着管内压力的提升而增大。
通过搭建供热管道泄漏检测实验平台对仿真结果进 行实验验证， 证明了仿真结果的准确性， 结果表明： 供 热管道泄漏声信号中心频率为 1 Hz， 声压幅值变化规律 与仿真结果一致。本文的研究成果为供热管道次声波法 泄漏检测的应用提供了理论依据。
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第一作者简介：孙少杰 (1964- )， 男， 山东济南人， 高级工程 师， 研究领域为电气工程。
※通讯作者简介：张 强 (1998- )， 男， 山东临沂人， 硕士研 究生， 研究领域为噪声与振动控制。
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