管道微小泄漏内检测近场声信号特性研究
发布时间：2021-10-20 07:15
声学内检测法有较高的管道泄漏检测灵敏度,而目前对泄漏声源附近近场声信号研究较少。基于Lighthill声类比的流场-声场混合的仿真方法,计算了不同泄漏孔径、不同管道内压下整个近场计算域的声场分布。仿真结果表明,泄漏声源是一种宽频噪声,在大于特征频率的频段,信号衰减,之前则保持稳定;管内声信号是泄漏声源在管壁束缚下的频散传播,在小于一阶模态频率内,传播平面波,大于一阶模态频率有多个模态的反射波。根据仿真分析结果,选取13.1 k Hz频段作为泄漏信号特征识别优选频段,得到泄漏量与该频段内能量呈正相关关系。搭建模拟泄漏测试平台,测试球形内检测样机,结果表明,该检测器可检测0.15 L/min泄漏量,实验结果与仿真结果可较好的吻合。研究结论对近距离听声内检测方法在声传感单元选型设计、声信号处理等方面有理论指导意义。
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2016,30(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
基于Lighthill声类比的混合声场仿真步骤Fig．1Hybridaero-acousticcalculationprocess
肅FD软件Fluent进行非定常的CFD仿真计算，得到声源域各网格点的各个瞬态的流体参数，比如，密度ρ以及速度v等(对于不可压缩流，则仅提取流速数据)，然后通过ACTＲAN软件的ICFD模块依照式(4)将流体域的结果变量积分插值到声学网格上，然后通过傅里叶变换转换到频域。最后在整个声学计算域进行声传播的计算，最终得到整个声学计算域的声学参数。图1基于Lighthill声类比的混合声场仿真步骤Fig．1Hybridaero-acousticcalculationprocessbasedonLighthill’ssimulation2．2CFD与CAA模型首先进行流体计算域的瞬态仿真。图2给出了计算的物理模型及边界条件。管道长度为250mm，管道直径为油气管道最常见的8inch即200mm管径。考虑到管道壁厚，在管道上方的中间部分有一个6mm高的小支管，孔径为d。左侧为流速入口，初始平均流速为z方向，大小为2m/s，右侧为压力出口1，设置为管道内压，大小为P1，泄漏口出的压力设置为大气压，其值为0Pa。图3是利用ICEM对计算域划分的三维六面体网格，为了在泄漏孔处得到更好的计算精度，对泄漏孔处进行的20个小区域的划分，整个计算域有400000个网格单元，网格整体质量大于0．7。图2物理模型与边界条件Fig．2Physicalmodelandboundarycondition采用大涡模拟方法(LES)进行湍流计算，泄漏孔径d=1mm，管道内压P1=5MPa，管内流体设置为水。选用PISO作为压力-速度耦合器的算法，采用PＲESTO!离散化方法将单元格压力数据插值到面网格上。时间步长Δt=1×10－6，整个计算在1000步后达到收敛，残差值在10－5以内。图3CFD计算的三维六面体网格Fig．33DCFDmeshofthephysicalmodel图4给出了在1mm泄漏孔径附近的压力以及流速云图。图中可以看出，在泄漏“小支管”与主管道的交叉点附近
3是利用ICEM对计算域划分的三维六面体网格，为了在泄漏孔处得到更好的计算精度，对泄漏孔处进行的20个小区域的划分，整个计算域有400000个网格单元，网格整体质量大于0．7。图2物理模型与边界条件Fig．2Physicalmodelandboundarycondition采用大涡模拟方法(LES)进行湍流计算，泄漏孔径d=1mm，管道内压P1=5MPa，管内流体设置为水。选用PISO作为压力-速度耦合器的算法，采用PＲESTO!离散化方法将单元格压力数据插值到面网格上。时间步长Δt=1×10－6，整个计算在1000步后达到收敛，残差值在10－5以内。图3CFD计算的三维六面体网格Fig．33DCFDmeshofthephysicalmodel图4给出了在1mm泄漏孔径附近的压力以及流速云图。图中可以看出，在泄漏“小支管”与主管道的交叉点附近出现了负压(－4MPa)，在泄漏孔处产生大量的湍流流动，在负压区域流速高达140m/s。根据Lighthill的理论，湍流脉动产生声，图4(a)泄漏口附近的压力云图(Pa);(b)泄漏口附近的流速云图(m/s)(P1=5MPa，V=2m/s，d=1mm)Fig．4(a)Zoom-inviewofpressurecontoursaroundleakhole(Pa);(b)Velocitycontoursaroundleakhole(m/s)(P1=5MPa，V=2m/s，d=1mm)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟仪器的清管器内检地图标记测试系统[J]. 赵弘,苏鑫,黄涵宇. 电子测量技术. 2015(01)
[2]基于ARM的智能数据采集系统设计[J]. 袁雪,张志文,司庆丹. 国外电子测量技术. 2014(11)
[3]超声相控阵检测技术的发展及应用[J]. 靳世久,杨晓霞,陈世利,黄玉秋,郭薇. 电子测量与仪器学报. 2014(09)
[4]基于改进EMD的输油管道泄漏信号特征提取方法研究[J]. 赵利强,王建林,于涛. 仪器仪表学报. 2013(12)
[5]输油管道微小泄漏球形检测器的设计与实现[J]. 刘渊,陈世利,郭世旭,赵伟. 传感器与微系统. 2012(06)
[6]基于相关分析和近似熵的管道泄漏声信号特征提取及辨识方法[J]. 杨进,文玉梅,李平. 仪器仪表学报. 2009(02)
[7]瞬态负压波结构模式识别法原油管道泄漏检测技术[J]. 靳世久,王立宁,李健. 电子测量与仪器学报. 1998(01)
本文编号：3446483
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2016,30(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
基于Lighthill声类比的混合声场仿真步骤Fig．1Hybridaero-acousticcalculationprocess
肅FD软件Fluent进行非定常的CFD仿真计算，得到声源域各网格点的各个瞬态的流体参数，比如，密度ρ以及速度v等(对于不可压缩流，则仅提取流速数据)，然后通过ACTＲAN软件的ICFD模块依照式(4)将流体域的结果变量积分插值到声学网格上，然后通过傅里叶变换转换到频域。最后在整个声学计算域进行声传播的计算，最终得到整个声学计算域的声学参数。图1基于Lighthill声类比的混合声场仿真步骤Fig．1Hybridaero-acousticcalculationprocessbasedonLighthill’ssimulation2．2CFD与CAA模型首先进行流体计算域的瞬态仿真。图2给出了计算的物理模型及边界条件。管道长度为250mm，管道直径为油气管道最常见的8inch即200mm管径。考虑到管道壁厚，在管道上方的中间部分有一个6mm高的小支管，孔径为d。左侧为流速入口，初始平均流速为z方向，大小为2m/s，右侧为压力出口1，设置为管道内压，大小为P1，泄漏口出的压力设置为大气压，其值为0Pa。图3是利用ICEM对计算域划分的三维六面体网格，为了在泄漏孔处得到更好的计算精度，对泄漏孔处进行的20个小区域的划分，整个计算域有400000个网格单元，网格整体质量大于0．7。图2物理模型与边界条件Fig．2Physicalmodelandboundarycondition采用大涡模拟方法(LES)进行湍流计算，泄漏孔径d=1mm，管道内压P1=5MPa，管内流体设置为水。选用PISO作为压力-速度耦合器的算法，采用PＲESTO!离散化方法将单元格压力数据插值到面网格上。时间步长Δt=1×10－6，整个计算在1000步后达到收敛，残差值在10－5以内。图3CFD计算的三维六面体网格Fig．33DCFDmeshofthephysicalmodel图4给出了在1mm泄漏孔径附近的压力以及流速云图。图中可以看出，在泄漏“小支管”与主管道的交叉点附近
3是利用ICEM对计算域划分的三维六面体网格，为了在泄漏孔处得到更好的计算精度，对泄漏孔处进行的20个小区域的划分，整个计算域有400000个网格单元，网格整体质量大于0．7。图2物理模型与边界条件Fig．2Physicalmodelandboundarycondition采用大涡模拟方法(LES)进行湍流计算，泄漏孔径d=1mm，管道内压P1=5MPa，管内流体设置为水。选用PISO作为压力-速度耦合器的算法，采用PＲESTO!离散化方法将单元格压力数据插值到面网格上。时间步长Δt=1×10－6，整个计算在1000步后达到收敛，残差值在10－5以内。图3CFD计算的三维六面体网格Fig．33DCFDmeshofthephysicalmodel图4给出了在1mm泄漏孔径附近的压力以及流速云图。图中可以看出，在泄漏“小支管”与主管道的交叉点附近出现了负压(－4MPa)，在泄漏孔处产生大量的湍流流动，在负压区域流速高达140m/s。根据Lighthill的理论，湍流脉动产生声，图4(a)泄漏口附近的压力云图(Pa);(b)泄漏口附近的流速云图(m/s)(P1=5MPa，V=2m/s，d=1mm)Fig．4(a)Zoom-inviewofpressurecontoursaroundleakhole(Pa);(b)Velocitycontoursaroundleakhole(m/s)(P1=5MPa，V=2m/s，d=1mm)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟仪器的清管器内检地图标记测试系统[J]. 赵弘,苏鑫,黄涵宇. 电子测量技术. 2015(01)
[2]基于ARM的智能数据采集系统设计[J]. 袁雪,张志文,司庆丹. 国外电子测量技术. 2014(11)
[3]超声相控阵检测技术的发展及应用[J]. 靳世久,杨晓霞,陈世利,黄玉秋,郭薇. 电子测量与仪器学报. 2014(09)
[4]基于改进EMD的输油管道泄漏信号特征提取方法研究[J]. 赵利强,王建林,于涛. 仪器仪表学报. 2013(12)
[5]输油管道微小泄漏球形检测器的设计与实现[J]. 刘渊,陈世利,郭世旭,赵伟. 传感器与微系统. 2012(06)
[6]基于相关分析和近似熵的管道泄漏声信号特征提取及辨识方法[J]. 杨进,文玉梅,李平. 仪器仪表学报. 2009(02)
[7]瞬态负压波结构模式识别法原油管道泄漏检测技术[J]. 靳世久,王立宁,李健. 电子测量与仪器学报. 1998(01)
本文编号：3446483
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