一种压力管道泄露过程的仿真建模方法与流程

本发明涉及模拟仿真领域，尤其涉及一种压力管道泄露过程的仿真建模方法。

背景技术：

1、压力管道被广泛地应用于运输工业流体，包括石油、天然气、二氧化碳、碳氢化合物等，所涉及的高压，加上流体易燃、易爆或者有毒的性质，一旦发生管道泄露事故，会对生命、财产和环境构成重大风险。因此，人们必须对压力管道进行相应的风险评估，从而制定相应的事故应急预案，提高其安全性能，保证其安全运行。上述的核心是对压力管道的泄露过程进行仿真模拟，对过程中所涉及的流体性质（例如，流量、流速、压力、温度、相态等）随时间的变化进行准确地预测。目前，用于上述目的的预测模型主要为基于求解偏微分方程的数值模型，此类模型的优点是数学描述符合实际物理过程，计算精度高，适用性高，缺点是计算资源消耗大，模拟耗时长（尤其是在模拟长距离运输管道泄露或者多根管道同时泄露的情况下），严重影响进行风险评估以及制定相应事故应急预案的效率。

2、针对以上，我们提出一种压力管道泄露过程的仿真建模方法对上述缺点进行改进。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的关键问题，特别创新地提出了一种压力管道泄露过程的仿真建模方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种压力管道泄露过程的仿真建模方法，包括以下建模步骤：

4、s1：建立流体性质的计算方法；

5、s2：将压力管道视为压力容器，建立相应泄露过程的守恒方程；

6、s3：建立管道初始条件的计算方法；

7、s4：建立管道泄露处边界条件的计算方法；

8、s5：将步骤s1-s4中所涉及的计算合理串联，建立算法用以模拟实际的泄露过程。

9、作为本发明的进一步方案，所述步骤s1具体涉及：首先判断管道内流体的相态，再采用合适的状态方程对其性质（主要包括压力、温度、密度、焓、熵、声速、相态等）进行计算。对于单相流，流体性质由状态方程直接求得。对于多相流，本发明采用经过大量实验数据验证过的均相流模型来处理其性质，即流体中每个相态的压力、温度和速度分别相等；多相流的其他性质则根据以下公式计算：

10、 (1)

11、其中，指代多相流的性质，指代气相的性质，指代液相的性质，为蒸气量。

12、作为本发明的再进一步方案，所述步骤s2具体涉及将压力管道假设为压力容器，并根据管道流体的特征，对压力容器泄漏模型的守恒方程进行改写，包括质量和能量守恒方程。改写后的质量和能量守恒方程分别为：。

13、 (2)

14、 (3)

15、其中，为管道内流体的质量，为管道内流体的能量，为时间，为管道上游的质量流量，为管道泄漏处的质量流量，为管道上游流体的总焓，为管道泄漏点流体的总焓，为管道与环境的热交换。

16、所得守恒方程(1)和(2)即作为描述压力管道泄露过程的全部守恒方程。

17、进一步地，管道上游和泄漏处的质量流量和分别由以下公式计算：

18、 (4)

19、 (5)

20、其中，为管道上游的流体密度，为管道上游的流体流速，为管道的内横截面积，为泄露系数，为管道泄露口的流体密度，为管道泄露口的流体流速，为管道泄露口的面积。

21、管道上游和泄漏口流体的总焓和分别由以下公式计算：

22、 (6)

23、 (7)

24、其中，为管道上游流体的焓，为泄漏口流体的焓。

25、作为本发明的再进一步方案，所述步骤s3具体涉及对管道发生泄漏前的管道压降进行计算，并由此计算出流体的其他性质。本发明具体采用以下方法来计算管道压降：

26、假设管道在发生泄漏前，压力管道内流体处于恒温稳态，其对应的压降计算公式为：

27、 (8)

28、其中，为压力，为压缩因子，为气体常数，为温度，为速度，为距离，下标1和2分别代表管道上不同的位置，代表管道内壁与流体的摩擦力项。

29、作为本发明的再进一步方案，所述步骤s4具体涉及设置相应的边界条件对管道泄漏口的非稳态流动进行计算。具体方法为：

30、针对管道泄露处建立相应的能量守恒方程：

31、 (9)

32、其中，为泄漏口上游处流体的焓，为泄漏口上游处流体的速度。

33、基于求解公式(9)，计算出泄漏口的流体性质。

34、作为本发明的再进一步方案，所述步骤s5具体涉及将步骤s1-s4中所涉及的计算合理串联，建立相应的循环迭代算法来模拟压力管道泄漏在时间上的推进过程，从而得到管道内和泄漏口的流体性质随时间的变化。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、1、本发明通过将压力管道视为一种压力容器，简化了现有压力管道泄露模型中的守恒方程，使得所涉及的数学问题从求解复杂的偏微分方程变为了求解较为简单的常微分方程，简化了求解步骤，减少了对计算资源的使用，大幅地缩减了仿真模拟的耗时。

37、2、本发明通过严谨的数学模型，对压力管道泄露过程所涉及的重要物理过程和信息（例如，真实流体性质、介质相变、稳态运输过程、非稳态泄露过程、传热等）进行了描述和计算，保证了仿真结果的精确性。同时，本发明的建模方法具有高自由度，使其能够被应用于多种不同的管道失效场景（例如，不同的泄露口大小，不同的管道上游类型等），具有高适用性。

38、3、结合以上优点，本发明能够大幅提升工程实际中对压力管道风险评估的效率，为企业节省时间和成本。

技术特征：

1.一种压力管道泄露过程的仿真建模方法，其特征在于：其建模步骤如下：

2.根据权利要求1所述的压力管道泄露仿真建模方法，其特征在于：所述步骤s1具体涉及：首先判断管道内流体的相态，再采用合适的状态方程对其性质（主要包括压力、温度、密度、焓、熵、声速、相态等）进行计算；对于单相流，流体性质由状态方程直接求得；对于多相流，本发明采用经过大量实验数据验证过的均相流模型来处理其性质，即流体中每个相态的压力、温度和速度分别相等；多相流的其他性质则根据以下公式计算：

3.根据权利要求1所述的压力管道泄露仿真建模方法，其特征在于：所述步骤s2具体涉及将压力管道假设为压力容器，并根据管道流体的特征，对压力容器泄漏模型的守恒方程进行改写，包括质量和能量守恒方程；改写后的质量和能量守恒方程分别为：

4.根据权利要求1所述的压力管道泄露仿真建模方法，其特征在于：所述步骤s3具体涉及对管道发生泄漏前的管道压降进行计算，并由此计算出流体的其他性质；本发明具体采用以下方法来计算管道压降：

5.根据权利要求1所述的压力管道泄露仿真建模方法，其特征在于：所述步骤s4具体涉及设置相应的边界条件对管道泄漏口非稳态流动进行计算；具体方法为：

6.根据权利要求1所述的压力管道泄露仿真建模方法，其特征在于：所述步骤s5具体涉及将步骤s1-s4中所涉及的计算合理串联，建立相应的循环迭代算法来模拟压力管道泄漏在时间上的推进过程，从而得到管道内和泄漏口的流体性质随时间的变化。

技术总结
本发明公开了一种压力管道泄露过程的仿真建模方法，其步骤如下：S1：建立流体性质的计算方法；S2：将压力管道视为压力容器，建立相应泄露过程的守恒方程；S3：建立管道初始条件的计算方法；S4：建立管道泄露处边界条件的计算方法；S5：将步骤S1‑S4中所涉及的计算合理串联，建立算法用以模拟实际的泄露过程。本发明通过将压力管道视为一种压力容器，简化了现有压力管道泄露模型的守恒方程，并通过整合严谨的数学模型，对压力管道泄露过程所涉及重要物理过程和信息进行了囊括和计算。上述处理使得本发明在保证了其高适用性和高仿真精确度的同时，解决了现有技术中普遍存在的仿真耗时过长的问题，大幅提升了工程实际中压力管道风险评估的效率。

技术研发人员：易家欢
受保护的技术使用者：易家欢
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16