Page 64 - 电力与能源2021年第二期

2 1 2 孙 鹏, 等: 油管泄漏的声场特性计算与分析

图 1 管道泄漏仿真的有限元模型
内气体甲烷, 设置为可压缩理想气体, 第二相为空
气。流场计算采用标准k-ε 模型, 瞬态计算, 壁面 图 2 压差 3 MPa时的速度云图
粗糙度为 0.05 mm 。为了探究压差对声场的影 场点, 用来监测各个位置的声学参数。管道的两
响, 管道内外压差分别为3 , 4 , 5 , 6MPa , 环空压力 端面设置为无反射边界。
为 1MPa 。管道入口设置为压力入口, 管道出口
和环空出口均设置为压力出口。整个流动过程假
设为绝热流动, 油管和环空内温度均为 20 ℃ 。
油管泄漏是一个非定常过程, 刚开始发生泄
漏时, 泄漏孔及环空区域的流场不断发生变化, 在

经过一个很短时间后, 泄漏流场趋于稳定。因此,
仿真计算首先需要计算到泄漏达到稳定, 之后再
输出流场计算的结果。超声检测更适用于采气井
的泄漏检测, 再考虑到超声波在空气传播中的衰 图 3 油管泄露声场仿真模型
仿真计算 采 用 Mohrin g 声 类 比 法。这 种 方
减, 声 场 仿 真 计 算 的 频 率 范 围 设 置 为 20~60
kHz 。流场计算的时间步长根据声场计算的频率 法考虑了对流对声场的影响, 能够精确地提取高
范围及流场求解的需要设置为 5×10 s , 输出泄 马赫数下的声源, 对于非线性声场及非均匀流体
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漏达到稳定后的 2000 步计算结果。 的求解均能得到较为准确的结果。高频声波在流
压差 3 MPa 时的速度云图如图 2 所示。从 体中传播时, 衰减很快, 因此在计算超声频段的声
图 2 可以看到, 在泄漏孔入口处流体流速迅速地 波时, 流体无法在视为理想流体, 需要考虑声波传
由静止增大到 219m / s 。在泄露孔内流速继续增 播时的热传导及黏性。
3.2 声场仿真计算结果及分析
大, 直到泄 漏 孔 出 口 附 近 流 速 达 到 最 大, 为 548
m / s , 并形成了一个三角形的速度最大区域。在 压差3MPa时声源区域的声压级频谱如图4
环空中流体流动区域近似为椭圆形, 流速逐渐减 所示。从图 4 可以看到, 油管泄漏是一种宽频带
小, 速度变化梯度逐渐减小。流体流速在大部分 噪声, 声源的声压级在 36400 Hz 时, 有 最 大 值
区域都比较高, 四极子声源的声功率要比偶极子 64.4dB , 整体上声源的声压级随频率的增大而震
声源的声功率大很多, 因此认为气井油管的泄漏 荡减小。
声源主要由四极子声源构成是合理的。 图 5 、 图 6 分别沿油管轴向分布的场点频谱
曲线和沿油管径向分布的场点频谱曲线。通过对
3 油管泄漏的声场仿真计算
场点的结果分析可知, 管道内的各个场点处的声
3.1 声场仿真计算模型 压频谱曲线相似, 具有相同的特性, 场点曲线上均
油管泄漏的声场仿真计算模型如图 3 所示。 存在峰值对应的频率范围为 35000~37500Hz ,
整个模型分为声源区域和声传播区域两个部分, 这与声源峰值所对应的频率接近。管内声场的声
声源区域包括环空区域、 泄漏孔及泄漏孔入口附 压频谱与声源频谱不同, 存在多个峰值, 这是由于
近, 管道内部为声传播区域, 模型尺寸与流场模型 声波在油管内不断被反射互相叠加造成的。声场
尺寸一致。在管道内部分别沿径向和轴向布置有 频谱中与声源频 谱所对应的峰值有的不是最大