一种输送乙烯气体的90°弯管内压分布模型的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数学力学模型建立技术领域，尤其是涉及一种输送乙烯气体的90°弯 管内压分布模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 弯管是管道输送系统不可缺少的重要部件。输送管道工作时，弯管凸边管壁受流 体冲击压力远大于弯管凹边，致使弯管凸、凹边受力不均常导致弯管开裂、爆炸、火灾等恶 性后果。乙烯气体输送主要采用管道运输，如镇海炼化8公里乙烯运输管线，总长约7650 米，连接装卸码头和低温罐区，运输管线的管道外径为325mm，壁厚4. 5mm，乙烯运输温度要 求范围为-150°C~-100°C;上海金山石化总厂至上海氯碱总厂输送乙烯管道，出口压力为 1. 6MPa、入口压力为1. 4MPa，管径为250mm，全长约58km，穿越包括黄浦江在内的200余条 江河；燕山石化公司30万吨乙烯装置，管径为150mm，全长约55km，设计年输送量为8万吨， 出口压力为1.5MPa。特别是"西气东输"等国家重点建设工程，所用弯管和管道情况更为 复杂。由于乙烯对水质、土壤和大气可造成严重污染，同时如遇明火、高热有燃烧、爆炸的危 险，因此在运输过程中管道的安全性显得尤为重要。
[0003] 因此，如何在乙烯气体流经输送管道薄弱环节弯管时，对弯管壁面形成的不均匀 压强及其复杂变化情况进行正确的计算及分析，以便于弯管的结构设计，且提高管道运行 的安全性是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种输送乙烯气体的90°弯管内压分布模型的建 立方法，该内压分布模型能够在乙烯气体流经弯管时，对弯管内壁面形成的不均匀压强及 其在弯管不同沿环向β和轴向α处复杂变化进行正确的计算及分析，以便于弯管的结构 设计，且提高管道运行的安全性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
[0006] 一种输送乙烯气体的90°弯管内压分布模型的建立方法，包括以下步骤：
[0007] 1)在不同的乙烯气体流动参数和弯管几何参数下，采用FLUENT软件对乙烯气体 在弯管内的流动过程进行数值模拟，建立相应的弯管不均匀内压分布数据库，所述乙烯气 体的流动参数包括乙烯的密度P、弯管出口压力P。及弯管入口流速v;弯管的几何参数包 括弯管内径d、弯管弯曲半径R、弯管弯曲度k=R/d及压力作用位置，其中所述压力作用位 置包括弯管轴向角度α和弯管环向角度β;
[0008] 2)根据所述弯管不均匀内压分布变化数据库，分析不同的流动参数和不同的弯管 几何参数下弯管内壁面压强的分布变化规律，得到乙烯气体流经90°弯管时：
[0009] 不同环向角β处，内压Ρ随轴向角α变化的规律；
[0010] 不同轴向角α横截面内，内压Ρ随环向角β变化的规律；
[0011] 不同环向角β处，压强差ΔΡ随流体密度ρ变化的规律；
[0012] 不同环向角β处，压强差ΔΡ随入口流速平方v2变化的规律；
[0013] 不同出口压强Ρ。时，压强差ΔΡ随环向角β变化的规律；
[0014] 不同环向角β处，压强差ΔΡ随弯管弯曲度k变化的规律；
[0015] 3)根据不同环向角β处，内压P随轴向角α变化的规律及不同轴向角α横截 面，内压Ρ随环向角β变化的规律，得到90°弯管不均匀内压Ρ的分布函数f(a，β)是正 态函数和三角函数的组合函数关系，
[0016] SP :式（1)
[0020]根据压强差ΔΡ分别随流体密度Ρ、入口流速平方V2变化的规律，压强差ΔΡ分 别与流体密度Ρ和流体流速平方V2成一次线性关系；
[0021]根据不同环向角β，压强差ΔΡ随弯管弯曲度k变化的规律，得到压强差ΔΡ与弯 管弯曲度k成反比例函数关系，S卩：f(k) =n6/k;
[0022] 将上述函数关系带入不均匀压强分布模型的通式：
[0023] P=P〇+f(k)f(α,β)ρν2 [0024] 得到式（2)
[0028] 上式中：R为弯管弯曲半径，
[0029] d为弯管内径，
[0030] k=R/d为弯管弯曲度，
[0031] α为弯管轴向角，
[0032] β为弯管环向角，
[0033] Ρ为流体密度，
[0034] ν为弯管入口流速，
[0035]Ρ。为弯管出口压强，
[0036] η。，η!，η2,η3,η4,η5,η6为待定系数；
[0037] 4)结合弯管不均匀内压分布数据库，采用IstOpt拟合软件对式（2)进行拟合，确 定待定系数，得到弯管不均匀内压分布模型为：
[0041]
[0042] 优选的，所述步骤1)中，数值模拟采用Realizablek-ε端流模型。
[0043] 优选的，所述步骤1)中，网格划分采用结构化网格。
[0044] 优选的，所述步骤1)中，根据弯管的对称性，数值模拟时采用弯管为1/2弯管，运 用gambit建模并划分网格；弯管弯曲角度A= 90°，弯管内径d= 355mm，弯曲度k=R/d =1· 5〇
[0045] 优选的，所述步骤1)中，乙稀的密度分别为200kg/m3、250kg/m3、300kg/m3、350kg/ m3;弯管出口压力分别为6MPa、7MPa、8MPa、9MPa;弯管入口流速分别为10m/s、12m/s、14m/ s、16m/s;弯管弯曲度分别为1. 0、1. 5、2. 0、2. 5。
[0046] 本发明的有益技术效果：
[0047] 通过本发明提供的输送乙烯气体的90°弯管内压分布模型的建立方法，建立了一 个弯管不均匀内压分布模型，在乙烯气体流经弯管时，对弯管壁面形成的不均匀压强及复 杂变化情况进行正确的计算和分析。流体流经弯管时，对弯管壁面形成的压力及其变化是 复杂的，正确计算和分析压力值及其分布变化对弯管设计和管道安全具有重要理论意义和 工程价值。本发明提供的压强计算分析模型由初等函数复合而成，简明、直观、待定系数较 少，且具有较高计算精度。流体在管道运输过程中，可优先考虑适当降低入口流速，扩大弯 管弯曲度的方式，降低管内压强、保证运输安全，为管道运输过程中弯管安全性能评估及弯 管壁厚设计提供了理论依据和技术方法，从而方便了弯管的结构设计，且提高了管道运行 的安全性。
【附图说明】
[0048] 图1为弯管模型的建立与网格划分；
[0049] 图2为标定弯管内压位置的三维几何坐标系；
[0050] 图3为不同β处，压强P随α变化规律；
[0051] 图4为不同α横截面，压强Ρ随β变化规律；
[0052] 图5为不同β处，压强差ΔΡ随流体密度ρ变化规律；
[0053] 图6为不同β处，压强差ΔΡ随入口流速平方ν2变化规律；
[0054] 图7为不同出口压力Ρ时，ΔΡ随β变化规律；
[0055] 图8为不同β处，ΔΡ随k变化规律；
[0056] 图9为不同β处，ΔP随k变化规律；
[0057]图10为不同轴向α截面，P随环向角β变化的fluent模拟值与内压模型计算 值对比；其中，（a)α= 〇°截面，P随β变化规律；(b)α= 45°截面，P随β变化规律； (c)α= 90°截面，Ρ随β变化规律。
【具体实施方式】
[0058] 为进一步理解本发明，下面结合实例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当 理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0059] 本发明提供了一种输送乙稀气体的90°弯管内压分布模型的建立方法，包括以下 步骤：
[0060] 1)在不同的乙烯气体流动参数和弯管几何参数下，采用FLUENT软件对乙烯气体 在弯管内的流动过程进行数值模拟，建立相应的弯管不