[科普中国]-热力瞬变

简介

长输管道内液体的流动状态可分为稳定和不稳定两大类。稳定流动是管道流动的基本状态，不稳定流动则由稳定流动受到破坏而引起，例如开阀和关阀、开泵和停泵、调节阀和安全阀动作、动力故障以及管道泄漏等各种原因而发生水力瞬变和热力瞬变。油品顺序输送过程中，由于首站油品切换、混油经过中间泵站、混油界面沿站间运动、泵启停、油品楔入与分流、节流以及流程倒换等原因，会发生水力瞬变；同时，油品受泵的压缩、站内(包括泵内)油品摩擦、节流及油品沿站间管道流动的摩擦，沿线油流温度将发生变化，即发生热力瞬变。一方面，流体流动参数(压力及流量)与物性(粘度)有关；另一方面，温度分布又与流量及摩阻有关。因而，油品顺序输送过程中的水力瞬变过程和热力瞬变是耦合的。

工程上的不稳定流问题十分重要，因为它可能引起的管道超压、噪声、抽空和振动比起由稳定流分析所得的结果要严重得多。目前，液体在长输管道内不稳定流动问题常采用各种数值解法并借助计算机来进行有效的分析。美国学者斯特里特在1963年创建的特征线法是最广泛使用的数值方法。特征线法具有理论严密、物理意义明确、适用范围广等特点。

双特征线法自20世纪60年代以来，特征线法一直是分析管流水力瞬变的有力工具，但是较少考虑热力瞬变过程。由于各种原因，当管内流体流量发生变化时，流体的摩擦生热会改变，从而引起流体温度改变，尤其在大流量时更是如此。流体温度改变使得流体粘度及水力摩阻系数发生变化，进而使流量变化。因此，水力瞬变过程与热力瞬变过程是互相关联的。

文献1研究了管道内流体流动的水力瞬变及热力瞬变，改进了分析介质顺序输送管流水力瞬变的特征线法，推导了含流速v的3次方的热力瞬变方程，构造了相应的特征线法，建立了分析介质顺序输送管流耦合的水力-热力瞬变的双特征线法。研究结果表明，压力波是以水击波速度传播的，从对流-扩散方程的观点来看，温度是以流体运动速度的数量级来传播的，远小于压力波传播速度；在首站介质切换引起的压力扰动波的作用下，全线流量发生变化；尽管纯对流作用尚未波及到一些点，但是这些点的温度已发生了变化，这是由于首站发出压力下降和（或）因混油界面运动，流量发生了变化，摩擦生热发生了变化所致。

耦合分析在特征线法实际求解过程中，由于热力瞬变和水力瞬变是相互耦合的，因此其耦合分析方法为：先计算管流在稳态的已知值(流量、压力及温度)；当某种边界条件发生变化时，势必发生水力和热力瞬变，在计算水力瞬变时，将温度作为前时步之值，根据水力瞬变特征线法计算管道结点的流量与压力值；根据热力特征线法计算管道结点的温度值，并计算物性，如ρ、μ等，进而计算水力摩擦系数f；根据水力瞬变特征线法计算管道结点的流量与压力值。如此反复计算达到规定的迭代精度，从而完成一个时步的计算并计算下一时步，直到满足规定的介质输送计划为止。由于热力瞬变计算所选的结点数远远多于水力瞬变计算的结点数，因此在热力瞬变计算中所需的结点的流量及压力值常需要插值。

文献2研究了成品油顺序输送过程中的热力瞬变过程，建立了相应的模型，并给出了分析热力瞬变的特征线算法。对成品油顺序输送过程中的热力瞬变和水力瞬变进行了耦合分析，给出了一条成品油管道顺序输送的热力-水力瞬变耦合分析的结果：压力是以水击波速度传播的，而对流扩散方面的分析表明，温度是以流体运动速度的数量级来传播的；流量变化对温度变化有影响；尽管对流作用尚未波及到一些点，但这些点的温度已发生了变化，这是因为水力瞬变使流量发生了变化，从而使摩擦生热也发生了变化；水力瞬变引起的温度变化对成品油顺序输送中混油界面预测的影响不可忽略，对于大口径长输管道更是如此；如果用恒温来计算，预计对混油界面的预测差别会更大。因此，预测混油界面必须考虑沿线的温度变化，而且还必须考虑瞬变过程中的温度变化。

埋地热油管道目前，埋地热油管道仍然是我国原油运输的主要方式，其在我国石油工业乃至整个国民经济中占有重要地位。由于各种内外部因素的变化以及管道-土壤系统温度场变化的滞后性，埋地热油管道的运行过程基本上处于热力不稳定状态，因此，定量研究热力非稳态条件下管道运行参数的变化规律及特点具有重要意义。 文献3在分析热油管道热力瞬变工况的发生、发展过程及其类型和特点的基础上，提出将大气、土壤和管道看成一个热力系统来进行分析，该系统内的传热过程包括管内油流向周围土壤的放热过程、土壤中的导热过程以及土壤与大气的换热过程。通过系统分析，建立了埋地热油管道热力瞬变过程的双层耦合数学模型，所谓双层是指内层为管内油流的热力、水力耦合，外层为管内油流与管外土壤的耦合。该数学模型是一个偏微分方程的定解问题，提出了一套求解该数学模型的数值计算方法，其基本思路是：将基于空间域的有限元法与基于时间域的有限差分法结合起来以求解管线周围土壤的不稳定温度场，用水力、热力双特征线法交替求解管内油流的轴向不稳定温度场，而这两个温度场的求解过程通过管段与土壤之间的换热量相耦合。考虑到有限元法不适合于处理边界半无限大土壤温度场，采用动态边界法(即通过判断边界附近相邻土壤温度层间的温度梯度是否为零或者在一定允许偏差范围内来调整合适的边界大小的方法)将其简化为一矩形区域，并以不同的步长划分该区域进行求解，该方法的有效性在求解过程中得到了验证。在求解土壤温度场时，考虑了降雨/雪对土壤导热系数的影响，提出了土壤有效导热系数的简便计算公式，并给出了土壤导热系数与土壤含水量的变化关系曲线。基于上述模型和算法，开发了热油管道非稳态数值模拟软件HOPTUPNS，以铁秦线为例采用该软件模拟了大气降温、出站温度变化、流量变化、出站温度和流量同时变化及大气降温、出站温度和流量同时变化引起的五种非稳态运行过程，并把模拟结果与实际运行数据进行了比较，证明了该模型和算法的正确性和有效性。通过研究上述热力瞬变工况，总结出了热油管道热力非稳态运行过程的一般规律，这些规律对热油管道的运行管理具有指导意义。

文献4为了较准确地模拟埋地热油管道的热力瞬变过程，则提出了一套求解该过程数学模型的数值计算方法,并在Windows NT 4.0(中文版)环境下用Visual C++5.0编制了相应的计算机软件。