埋地管道泄漏的温度场数值模拟研究

论文摘要

管道作为五大运输工具之一,在运输液体、气体、浆液等方面具有独特的优势。随着管道运输业的不断发展,管道的增多,管龄的增长,及其腐蚀、磨损、缺陷等自然或人为损坏的原因,使管道泄漏事故频繁发生,造成严重的经济损失和社会影响。可见,管道泄漏的检测研究具有极为重要的现实意义。围绕这一问题主要开展了以下几方面的工作:1、在总结管道泄漏检测和周围土壤温度场模拟的研究现状及发展趋势基础上,论文通过对埋地管道传热分析,建立了埋地管道泄漏前周围土壤温度场的物理模型和数学模型,管道泄漏前土壤温度场将成为泄漏后土壤温度场计算的初始条件。2、介绍了土壤多孔介质的性质及非饱和多孔介质运输机制。采用Darcy定律,对多孔介质进行简化,考虑到泄漏后介质在土壤中的流动属于多相流,其运输机制各不相同,建立了多孔介质的三区多相流模型,既使计算上简便可行,又能够很好的反映多孔介质的主要特性。3、在以上工作的基础上,建立了埋地管道泄漏后非稳态温度场的物理模型,考虑到渗流作用和多孔介质对土壤温度场的影响,给定了合理的传热学及流体力学边界条件,分别建立了管道泄漏后三维和二维土壤温度场的数学模型。4、对埋地管道泄漏前后周围温度场进行了模拟研究,通过与实验数据对比验证可知,模拟仿真结果与试验所得结果吻合较好,证明了本文对模型简化是合理的。结合实际工程应用,分析了不同工况下埋地管道泄漏时周围温度场分布规律及其影响因素,为新型管道泄漏检测技术红外设备检测提供了理论依据和检测建议。5、考虑到严寒地区土壤冻结情况,根据土壤传热问题及土壤中水分或冰的相变传热问题,采用两种坐标建立了其数学模型。并分别对土壤冻结状态下考虑相变和不考虑相变的埋地管道泄漏情况进行模拟,总结出相变对埋地管道泄漏模拟结果的影响规律,为埋地管道泄漏的模拟和检测提供参考依据。本论文得到的一些定性和定量的结论,有助于埋地管道泄漏事故的早期发现和实时在线监测。本文建立的模型和所采用计算方法具有通用性,可以应用于不同地区、不同工况下管道泄漏的土壤温度场研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 0.1 本文研究的目的意义
• 0.2 国内外研究现状
• 0.3 本文的主要研究方法
• 0.4 本文研究内容
• 第一章 管道泄漏前周围温度场模型的建立
• 1.1 土壤温度场描述
• 1.2 埋地管道传热分析
• 1.2.1 存在埋地管道时土壤温度场深度方向恒温层的确定
• 1.2.2 存在埋地管道时土壤温度场水平方向绝热面的确定
• 1.3 埋地管道周围温度场二维传热模型的建立
• 1.3.1 二维物理模型的建立及简化
• 1.3.2 二维稳态数学模型的建立
• 1.4 埋地管道周围温度场三维传热模型的建立
• 1.4.1 三维物理模型的建立
• 1.4.2 三维稳态数学模型的建立
• 1.5 本章小结
• 第二章 多孔介质简介及其多相流模型
• 2.1 多孔介质简介
• 2.2 非饱和多孔介质内的输运机制
• 2.2.1 质量传输机制
• 2.2.2 热量传输机制
• 2.3 多孔介质模型
• 2.3.1 Darcy 定律
• 2.3.2 多孔介质理想化模型
• 2.4 多孔介质多相流模型
• 2.5 FLUENT 中多孔介质模型的修正
• 2.6 本章小结
• 第三章 管道泄漏后周围土壤温度场模型的建立
• 3.1 管道泄漏后周围温度场物理模型
• 3.2 泄漏三维数学模型的建立
• 3.2.1 流体控制方程
• 3.2.2 三维泄漏传热模型
• 3.3 泄漏二维数学模型和边界条件
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 温度场二维控制方程和边界条件
• 3.4 本章小结
• 第四章 埋地管道泄漏温度场数值模拟
• 4.1 相关模拟参数的确定
• 4.2 实验模型模拟分析
• 4.2.1 实验简介
• 4.2.2 实验模型三维模拟
• 4.2.3 与实验测试结果的对比分析
• 4.2.4 二维实验模型模拟
• 4.3 泄漏工况数值模拟
• 4.4 管道泄漏影响因素分析
• 4.4.1 环境温度的影响
• 4.4.2 不同风速的影响
• 4.4.3 不同埋深
• 4.4.4 不同泄漏量
• 4.5 结论
• 第五章 土壤冻结状态下管道泄漏模拟研究
• 5.1 含有相变的管道泄漏模型的建立
• 5.1.1 传热模型的建立
• 5.1.2 流动控制方程
• 5.2 严寒地区管道泄漏模拟研究
• 5.3 相变对模拟结果影响
• 5.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要