基本介紹
- 中文名：熱力瞬變
- 外文名：thermal transient
- 基本釋義：摩擦等作用導致流體溫度沿線變化
- 耦合作用：水力瞬變
- 分類：熱力學
- 領域：能源
- 學科：物理
簡介,雙特徵線法,耦合分析,埋地熱油管道,
簡介
長輸管道內液體的流動狀態可分為穩定和不穩定兩大類。穩定流動是管道流動的基本狀態，不穩定流動則由穩定流動受到破壞而引起，例如開閥和關閥、開泵和停泵、調節閥和安全閥動作、動力故障以及管道泄漏等各種原因而發生水力瞬變和熱力瞬變。油品順序輸送過程中，由於首站油品切換、混油經過中間泵站、混油界面沿站間運動、泵啟停、油品楔入與分流、節流以及流程倒換等原因，會發生水力瞬變；同時，油品受泵的壓縮、站內(包括泵內)油品摩擦、節流及油品沿站間管道流動的摩擦，沿線油流溫度將發生變化，即發生熱力瞬變。一方面，流體流動參數(壓力及流量)與物性(粘度)有關；另一方面，溫度分布又與流量及摩阻有關。因而，油品順序輸送過程中的水力瞬變過程和熱力瞬變是耦合的。
工程上的不穩定流問題十分重要，因為它可能引起的管道超壓、噪聲、抽空和振動比起由穩定流分析所得的結果要嚴重得多。目前，液體在長輸管道內不穩定流動問題常採用各種數值解法並藉助計算機來進行有效的分析。美國學者斯特里特在1963年創建的特徵線法是最廣泛使用的數值方法。特徵線法具有理論嚴密、物理意義明確、適用範圍廣等特點。
雙特徵線法
自20世紀60年代以來，特徵線法一直是分析管流水力瞬變的有力工具，但是較少考慮熱力瞬變過程。由於各種原因，當管內流體流量發生變化時，流體的摩擦生熱會改變，從而引起流體溫度改變，尤其在大流量時更是如此。流體溫度改變使得流體粘度及水力摩阻係數發生變化，進而使流量變化。因此，水力瞬變過程與熱力瞬變過程是互相關聯的。
文獻研究了管道內流體流動的水力瞬變及熱力瞬變，改進了分析介質順序輸送管流水力瞬變的特徵線法，推導了含流速v的3次方的熱力瞬變方程，構造了相應的特徵線法，建立了分析介質順序輸送管流耦合的水力-熱力瞬變的雙特徵線法。研究結果表明，壓力波是以水擊波速度傳播的，從對流-擴散方程的觀點來看，溫度是以流體運動速度的數量級來傳播的，遠小於壓力波傳播速度；在首站介質切換引起的壓力擾動波的作用下，全線流量發生變化；儘管純對流作用尚未波及到一些點，但是這些點的溫度已發生了變化，這是由於首站發出壓力下降和（或）因混油界面運動，流量發生了變化，摩擦生熱發生了變化所致。
耦合分析
在特徵線法實際求解過程中，由於熱力瞬變和水力瞬變是相互耦合的，因此其耦合分析方法為：先計算管流在穩態的已知值(流量、壓力及溫度)；當某種邊界條件發生變化時，勢必發生水力和熱力瞬變，在計算水力瞬變時，將溫度作為前時步之值，根據水力瞬變特徵線法計算管道結點的流量與壓力值；根據熱力特徵線法計算管道結點的溫度值，並計算物性，如ρ、μ等，進而計算水力摩擦係數f；根據水力瞬變特徵線法計算管道結點的流量與壓力值。如此反覆計算達到規定的疊代精度，從而完成一個時步的計算並計算下一時步，直到滿足規定的介質輸送計畫為止。由於熱力瞬變計算所選的結點數遠遠多於水力瞬變計算的結點數，因此在熱力瞬變計算中所需的結點的流量及壓力值常需要插值。
文獻研究了成品油順序輸送過程中的熱力瞬變過程，建立了相應的模型，並給出了分析熱力瞬變的特徵線算法。對成品油順序輸送過程中的熱力瞬變和水力瞬變進行了耦合分析，給出了一條成品油管道順序輸送的熱力-水力瞬變耦合分析的結果：壓力是以水擊波速度傳播的，而對流擴散方面的分析表明，溫度是以流體運動速度的數量級來傳播的；流量變化對溫度變化有影響；儘管對流作用尚未波及到一些點，但這些點的溫度已發生了變化，這是因為水力瞬變使流量發生了變化，從而使摩擦生熱也發生了變化；水力瞬變引起的溫度變化對成品油順序輸送中混油界面預測的影響不可忽略，對於大口徑長輸管道更是如此；如果用恆溫來計算，預計對混油界面的預測差別會更大。因此，預測混油界面必須考慮沿線的溫度變化，而且還必須考慮瞬變過程中的溫度變化。
埋地熱油管道
目前，埋地熱油管道仍然是我國原油運輸的主要方式，其在我國石油工業乃至整個國民經濟中占有重要地位。由於各種內外部因素的變化以及管道-土壤系統溫度場變化的滯後性，埋地熱油管道的運行過程基本上處於熱力不穩定狀態，因此，定量研究熱力非穩態條件下管道運行參數的變化規律及特點具有重要意義。 文獻在分析熱油管道熱力瞬變工況的發生、發展過程及其類型和特點的基礎上，提出將大氣、土壤和管道看成一個熱力系統來進行分析，該系統內的傳熱過程包括管內油流向周圍土壤的放熱過程、土壤中的導熱過程以及土壤與大氣的換熱過程。通過系統分析，建立了埋地熱油管道熱力瞬變過程的雙層耦合數學模型，所謂雙層是指內層為管內油流的熱力、水力耦合，外層為管內油流與管外土壤的耦合。該數學模型是一個偏微分方程的定解問題，提出了一套求解該數學模型的數值計算方法，其基本思路是：將基於空間域的有限元法與基於時間域的有限差分法結合起來以求解管線周圍土壤的不穩定溫度場，用水力、熱力雙特徵線法交替求解管內油流的軸向不穩定溫度場，而這兩個溫度場的求解過程通過管段與土壤之間的換熱量相耦合。考慮到有限元法不適合於處理邊界半無限大土壤溫度場，採用動態邊界法(即通過判斷邊界附近相鄰土壤溫度層間的溫度梯度是否為零或者在一定允許偏差範圍內來調整合適的邊界大小的方法)將其簡化為一矩形區域，並以不同的步長劃分該區域進行求解，該方法的有效性在求解過程中得到了驗證。在求解土壤溫度場時，考慮了降雨/雪對土壤導熱係數的影響，提出了土壤有效導熱係數的簡便計算公式，並給出了土壤導熱係數與土壤含水量的變化關係曲線。基於上述模型和算法，開發了熱油管道非穩態數值模擬軟體HOPTUPNS，以鐵秦線為例採用該軟體模擬了大氣降溫、出站溫度變化、流量變化、出站溫度和流量同時變化及大氣降溫、出站溫度和流量同時變化引起的五種非穩態運行過程，並把模擬結果與實際運行數據進行了比較，證明了該模型和算法的正確性和有效性。通過研究上述熱力瞬變工況，總結出了熱油管道熱力非穩態運行過程的一般規律，這些規律對熱油管道的運行管理具有指導意義。
文獻為了較準確地模擬埋地熱油管道的熱力瞬變過程，則提出了一套求解該過程數學模型的數值計算方法,並在Windows NT 4.0(中文版)環境下用Visual C++5.0編制了相應的計算機軟體。
