管道泄漏检测技术的研究

论文摘要

管道以高效、便捷、环保等特点已成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。然而由于不可避免的老化、腐蚀及人为损坏等原因,管道泄漏频频发生,所产生的经济损失和环境污染也十分严重。因此管道泄漏的实时检测已成为世界重要的研究课题。本文首先基于瞬变流流动的机理,运用有限体积原理及Godunov格式建立管道泄漏的瞬态模型。然后通过Fortran语言‘编程得到瞬态流动模型方程求解的计算程序,该计算程序可以得到瞬变流条件下管道指定位置的压力实时值。通过改变泄漏点位置及泄漏量大小,可以获得不同泄漏情况下指定点处的压力值。针对不同泄漏情况下的压力值曲线进行分析得出：泄漏点的位置及泄漏量的大小共同决定了压力曲线的峰值高度。泄漏点与指定点距离越近,则所得到相对压力峰值的高度越高；当泄漏点位置相同时,泄漏量越小所得到的相对压力峰值越高。为了能够表现出泄漏信息在频域中的特性,本文应用快速傅里叶变换的方法将指定点处的压力值进行频域转换。通过对不同泄漏条件下的系统频域响应图进行对比分析,总结出不同泄漏条件对于频率响应图中最大峰值位置的影响。为了进一步确定出泄漏具体信息,对管道各节点依次泄漏时的假定状况进行瞬变流模型的时域与频域求解,将理论值与“实测值”差值的平方和与泄漏位置作成敏感性分析曲线,该曲线中最小值所在位置即为管道泄漏点的位置所在。对比分析得出时域敏感性函数较频域敏感性函数可以更准确的反求出泄漏点的具体位置。两种情况下定位精度均随泄漏量的增大而升高。当泄漏量较小时,压力曲线在频域先于时域失去其对不同泄漏位置的敏感性。分析表明当泄漏量达到稳态流量的1%时,定位精度最高可达到管道长度的1%。最后讨论了本文所采用的研究方法的局限性,并根据最终所获结论提出了有待进一步完善和深化的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 管道运输的发展与现状
• 1.2 管道泄漏检测技术的研究意义
• 1.3 管道泄漏检测技术发展现状与发展趋势
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 管道流动模型的建立与时域求解
• 2.1 水击理论介绍
• 2.1.1 水击传播过程
• 2.1.2 水击周期和水击分类
• 2.2 管道流动模型的建立
• 2.3 水击方程的转化
• 2.3.1 有限体积法原理
• 2.3.2 Godunov方法简介
• 2.3.3 基于有限体积法离散水击方程
• 2.3.4 将一阶Godunov格式应用于水击方程
• 2.4 水击计算的边界条件
• 2.4.1 曲型方程的特征线理论
• 2.4.2 上、下游边界条件
• 2.4.3 阀门处边界条件
• 2.4.4 泄漏点处边界条件
• 2.5 模型的时域求解与结果分析
• 2.5.1 程序基本参数的确定
• 2.5.2 模型时域结果分析
• 2.6 本章小结
• 3 时域信号的频域转换及分析
• 3.1 傅里叶变换原理
• 3.2 快速傅里叶变换原理及方法介绍
• 3.2.1 快速傅里叶变换（FFT）基本原理
• 3.2.2 快速傅里叶变换（FFT）的方法说明
• 3.2.3 应用快速傅里叶变换（FFT）的基本步骤
• 3.3 频域结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 敏感性分析
• 4.1 敏感性分析函数的确定
• 4.2 结果敏感性分析
• 4.2.1 时域敏感性分析
• 4.2.2 频域敏感性分析
• 4.2.3 时域、频域敏感性对比分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢