给水管道泄漏数值模拟及声学检测定位研究

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近年来,我国市政给水管道基础设施发展迅速,但管道发生破坏和泄漏的情况仍很严重,漏水率一直处于一个较高的水平。给水管道泄漏会导致水资源浪费、经济损失以及存在潜在的污染风险。源于低压管道微小泄漏孔的微小、低压的慢性泄漏,长期不被注意且难以发现,因此,对给水管道慢性泄漏的及时准确检测和定位,对解决管道泄漏问题具有重要的实际意义。根据实际管道搭建了管道仿真模型,模拟了在不同流速、压力、泄漏孔径时,泄漏管道中流体的流场和管件附近的流场分布情况,结果表明在管道发生泄漏时,水流以喷射的状态流出管外,在泄漏孔中心速度最大,随着管道内入口流速变大,泄漏孔处的压力降也随之增大,低压区以及流体速度、方向受影响的区域变广。压力因素对泄漏孔附近流场的影响和速度影响的规律相似。泄漏孔径的大小对管道泄漏的流速、压力影响不大,主要影响泄漏孔附近流体的方向;在管道中有三通管件时,在三通附近会产生两个漩涡,随着管道入口处压力、流速增加,漩涡逐渐向水流方向移动,并逐渐变大,然后消失,流入支管的流量越来越大;在管道中有阀门管件时,阀门阀板会对水流有一定的阻碍作用,在管道入口压力、流速较小时,随着管内流速、压力增加,阀板对水流阻碍作用随之增强,阀板角度越大,对流场影响越突出,在管道内压力流速大到一定范围后,阀板对水流的阻碍作用变得不明显,甚至体现为削弱。在模拟了管道内流场的前提下,对不同工况条件下管道泄漏声信号以及有管件管道声信号的发生与传播进行模拟,结果表明管道振动的声压平均幅值会随着压力、流速的变化而变化;泄漏孔径越小,幅值变化越大;振动发声源的上游幅值变化比下游大,随着管道入口处压力、流速的增加及泄漏孔径的增加,各检测点各频段所对应的功率谱都有增加,且管道入口压力的变化对功率谱影响更大;泄漏引起管道振动的频率主要在400-600Hz间,三通管振动的频率主要在300Hz以下,而阀门阀板振动的频率与阀板关闭的角度有关系,阀板关闭角度为30度时,在400-500Hz左右,阀板关闭角度为45度时,主要在400-600Hz左右,管道泄漏孔、三通管、阀门引起振动的能量都较小,其它的干扰信号对其干扰很大,通过简单的功率谱分析,很难找出其振动能量所对应的频段。根据声学相关检漏技术原理,建立了有管件管道的泄漏三维模型进行数值模拟,对管道泄漏后产生的声信号进行分析处理,结果表明管道泄漏声信号与管件振动声信号的样本熵有明显的区别,结合经验模态分解能提取给水管道泄漏声信号从而去除其中的干扰信息,可以对有三通或者阀门管件的慢性泄漏进行定位,定位分别相差0.29m和0.64m。
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