Page 63 - 电力与能源2021年第二期

孙 鹏, 等: 油管泄漏的声场特性计算与分析 2 1
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井管道的泄漏。文献[ 6 ] 搭建了基于声波原理的 T i j =ρ 0 u i u j +P i j - c 0 ρ 0 δ i j ( 4 )
2
全尺寸油管泄漏检测系统, 用来研究井下油管泄 P' =P-P 0
漏声波检测技术的可行性。结果表明, 通过对采 式中 P' ———远场声压, Pa ; δ ( )———代表 Dirac
f
集到的声信号进行自相关分析可以实现井下油管 / 3 ———静止
函数; ———静止流体的密度, k g m ; c 0
ρ 0
泄漏的检测与定位。文献[ 7 ] 提出了一种基于声 流体中的声速, m / s ; T i j ———应力张量。
波与压力波耦合的识别方法, 通过试验验证了方 式( 1 ) 中, 等号右边为声源项, 依次为单极子
法的可行性。文献[ 8 ] 针对管道的微小泄露( 小于 声源、 偶极子声源、 四极子声源。单极子声源是由
1L / min ), 对 三 维 湍 流 管 道 模 型 进 行 了 数 值 模 于流体微元自身的质量发生周期性变化而向外辐
拟, 发现在 220~500Hz频率范围内的声波可以 射噪声的声源。偶极子声源是由于高速流体与固
用来判断管道是否发生泄漏。文献[ 9 ] 研究了管 体壁面或运动的物体表面与流体发生相互作用的
道泄漏的发声原理和声源的特性, 建立了基于气 时候而产生噪声的声源。四极子声源是由于流体
动声学的声场, 并分析了泄漏壁承受宽带谐波声 发生湍流时产生噪声的声源。其中, 单极子声源
压时管壁的振动。 只存在于气体流速较低时的状态, 一般不做考虑;
当前, 油套管泄漏的声学检测研究主要集中 偶极子的辐射声 功率与气体流速的六次方成正
在次声波、 声波频段的检测, 而对超声频段的研究 比; 四极子的辐射声功率与流速的八次方成正比。
较少。事实上, 超声波具有能量集中、 方向性好、 由声源类型可知, 管道发生泄漏时, 高速可压
穿透性强等特点, 而且超声波的衰减比较快, 适合 缩气体与管壁、 泄漏孔壁等固壁相互作用会产生
于近距离检测。因此, 超声检测更适合用来检测 偶极子声源; 气体在泄漏孔及环空中的湍流流动
气井油套管的泄漏。本文以采气井油套管为研究 会产生四极子声源。因此, 气体管道泄漏的声源
对象, 对油管泄漏的声源特性及声场分布进行仿 可以看作是由偶极子声源和四极子声源组成的。
真计 算, 并 探 究 管 道 内 外 压 差 对 声 源 及 声 场 的 由于管道内外压差较大, 理论上, 气体的流速在泄
影响。 露孔内快速增大, 到达出口时流速接近声速, 属于
高速流动。此时, 四极子声源的贡献较大, 因此气
1 管道泄漏的发声机理
体管道泄漏的声源一般可看作是由四极子声源引
管道气体泄漏噪声问题属于气动声学领域, 起的。
管道发生泄漏时, 管内气体在内外压差的作用下,
从泄漏孔向外喷射, 形成射流区域, 由于强烈的速 2 油管泄漏的流场仿真计算
度和压力脉动从而产生噪声。 2.1 流场仿真计算的模型
Li g hthill声类比方法由 Li g hthill在 研 究 喷 根据管道泄漏的发声机理可知, 油管发生泄
气噪声时提出, 这是一种气动噪声计算的非直接 漏时的噪声声源包括两部分: 射流区域和泄漏孔。
方法。 Li g hthill将 流 体 流 动 的 动 量 方 程 进 行 改 以气井油套管的实际结构为研究对象, 建立了油
写, 得 到 了 带 有 源 项 的 波 动 方 程, 而 后 经 过
管泄漏时的仿真模型, 如图 1 所示。
Curle 、 FfcowsWilliams及 Hawkin g s对理论的扩 仿真模型主要包括: 管道、 泄漏孔及油管与套
展, 得到了著名的 FW-H 方程 [ 10 ] : 管之间的环空。由于射流区域相对于整个套管环
2
∂p ' 2 2 空来说较小, 因此射流声源部分采用圆柱体来进
2 - c 0∇ p ' =
∂t
行模拟。油套管仿真模型长 200 mm 、 管道直径
2
∂ [ ∂ f δ ( ) ∂ ∂ f f ] + ∂T i j 104mm , 环空圆柱的高 20mm 、 直径 20mm 。泄
f ] - [
δ ( )
∂t ρ 0 u i ∂x i ∂x i p 'δ i j ∂x i ∂x i ∂x j
漏孔 位 于 管 道 中 心 的 正 上 方, 泄 漏 孔 孔 径 0.4
( 1 )
mm , 长度 5mm 与管道壁厚相等, 泄漏孔的形状
并满足,
采用圆形。
,)
{ f ( 2 )
1 , ( x it >0
H ( ) 2.2 流场仿真计算的参数设置及仿真结果
f =
f
,)
0 , ( x it <0
油管内与套管内存在两种不同的介质, 流场
∂H ( )
f
δ ( ) ( 3 )
f =
∂ f 仿真计算采用 VOF 两相流模型, 第一相为油管