CN111444628B - 射流清管器结构阻力计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射流清管器结构阻力计算方法及装置，该方法包括：根据气体状态方程，构建清管器运动扰动气体的三维数学模型；建立三维网格模型；设置三维网格模型的工况及边界条件以及清管器的初始运动条件；基于三维网格模型、工况和边界条件，以及射流清管器的初始运动条件，求解三维数学模型，得到清管器所受气动阻力；基于清管器运动受力分析，根据气动阻力得到射流清管器结构阻力。该方法通过在清管器运动过程中，模拟清管器附近扰流流场，从而计算得出清管器运行阻力，得到射流清管器的结构阻力，从而为有针对性地调整清管器的清管扫线工艺提供依据，有利于提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平。

Description

射流清管器结构阻力计算方法及装置

技术领域

本发明关于管道清洗技术领域，具体地，涉及一种射流清管器结构阻力计算方法及装置。

背景技术

输气管道企业是一种特殊的运输企业，其安全除自身的运行管理之外还与上游供应的气质密切相关。如果天然气中含超标的水、烃和机械杂质将会给压缩机、管道和过滤器等带来重大伤害。由于各种原因，气质超标的问题不能完全避免，不可避免的存在许多杂质，这些杂质极易在管道内形成结腊、结垢和积液等，易造成管道堵塞，减少管道流量。这些集结物长期与管道壁接触就会对管道壁造成腐蚀，这种腐蚀作用会增加管壁粗糙度，降低输送效率。管道被污染腐蚀往往是造成管道运输经济上、安全上重大危害的主要原因。迄今为止，已经发生了许多管道爆炸的安全事故。

针对这些问题，对管道内部堵塞物进行清理显得尤为重要，清管扫线工艺是提高管道输送效率，延长管道使用寿命和提高工艺管理水平的重要手段。但管线中的杂质和气体等因素会给清管器的运行造成一定的阻力，阻碍清管器继续推进。由此可见，对清管器结构阻力进行计算和测试就格外重要。现有技术中清管器结构阻力计算方法主要包括：

(1)利用ANSYS有限元方法进行分析计算。该方法大多数只适用于线性分析，不适用于分析计算清管器结构阻力。

(2)利用nastran方法进行分析计算。该方法在航天、船舶领域应用广泛，但并不适用于清管器结构阻力计算。nastran前处理软件patran的用户语言为直接矩阵提取程序(Direct Matrix Abstraction Program，DMAP)，难度较大。

发明内容

本发明实施例提供一种射流清管器结构阻力计算方法，用以对清管器的结构阻力进行计算，从而提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平，该方法包括：

根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；

对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型；

设置所述三维网格模型的工况及边界条件以及所述射流清管器的初始运动条件；

基于所述三维网格模型、所述三维网格模型的工况和边界条件，以及所述射流清管器的初始运动条件，求解所述三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

基于射流清管器运动过程的受力分析，根据所述气动阻力得到射流清管器结构阻力。

本发明实施例还提供一种射流清管器结构阻力计算装置，用以对射流清管器的结构阻力进行计算，从而提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平，该装置包括：

数学模型构建模块，用于根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；

三维网格模型构建模块，用于对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型；

参数设置模块，用于设置所述三维网格模型的工况及边界条件以及所述射流清管器的初始运动条件；

计算模块，用于基于所述三维网格模型、所述三维网格模型的工况和边界条件，以及所述射流清管器的初始运动条件，求解所述三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

数据分析模块，用于基于射流清管器运动过程的受力分析，根据所述气动阻力得到射流清管器结构阻力。

本发明实施例，通过在射流清管器运动过程中，模拟射流清管器附近扰流流场，从而计算得出清管器运行阻力；通过对运动过程进行受力分析，计算得到射流清管器的结构阻力，从而为有针对性地调整清管器的清管扫线工艺提供依据，有利于提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中射流清管器结构阻力计算方法示意图。

图2为本发明实施例中射流清管器运动过程的受力分析示意图。

图3为本发明实施例中射流清管器结构阻力计算装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供了一种射流清管器结构阻力计算方法，用以对射流清管器的结构阻力进行计算，从而提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平，该方法如图1所示，包括：

步骤101：根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；

步骤102：对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型；

步骤103：设置三维网格模型的工况及边界条件以及射流清管器的初始运动条件；

步骤104：基于三维网格模型、三维网格模型的工况和边界条件，以及射流清管器的初始运动条件，求解三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

步骤105：基于射流清管器运动过程的受力分析，根据气动阻力得到射流清管器结构阻力。

从图1所示的流程可以看出，本实施例中，通过在射流清管器运动过程中，模拟射流清管器附近扰流流场，从而计算得出清管器运行阻力；通过对运动过程进行受力分析，计算得到射流清管器的结构阻力，从而为有针对性地调整清管器的清管扫线工艺提供依据，有利于提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平。

具体实施时，首先根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型。其中，该三维数学模型描述射流清管器扰动的气体的流动状态，具体形式如下：

其中，m表示射流清管器质量；V表示射流清管器运行速度；t表示射流清管器运行时间；p₁表示射流清管器尾端所受压力；p₂表示射流清管器首端所受压力；A表示射流清管器的横截面积；β表示管道倾角；F_c表示射流清管器与管壁的摩擦力。

构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型后，对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型，在综合考虑计算工作站性能、算法稳定性、计算周期前提下，对网格总数进行了控制，具体实施例汇总网格剖分总数量约300万。为有效控制上述网格数量，保证网格质量，网格剖分过程中，均采用混合分区对接网格剖分策略：

对射流清管器的简化三维实体模型结构表面划分为非结构网格；

将射流清管器的简化三维实体模型周围的管道空间分成多个对接区域，对多个对接区域划分为非结构网格；

在除了多个对接区域之外的管道区域，划分为结构网格。

其中，射流清管器的简化三维实体模型包括前后端皮碗、控制单元、信息轮、清管器骨架、驱动电机等部分，为了确保后续网格的离散质量和数量，简化计算量，具体实施例中，还可对简化三维实体模型，剔除倒角、微凸起以及细小结构件。

上述非结构网格是没有规则拓扑关系的网络，通常由三角剖分(polygontriangulation)组成，即非结构网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元，与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。网格中的每个元素都可以是二维的多边形或者三维多面体，其中最常见的是二维的三角形以及三维的四面体。本实施例中，非结构网格的每个元素划分为二维三角形。

将射流清管器的简化三维实体模型周围的管道空间分成多个对接区域，对多个对接区域划分为非结构网格，在除了多个对接区域之外的管道区域，划分为结构网格。具体实施时，首先布置控制点和生成结构网格作为背景网格，再定义结构网格和非结构网格的边界，再推进网格生成三角形，最后进行网格优化。

运动过程中，射流清管器在管道内运动受气动阻力控制，由于气动阻力与清管器运动速度之间相互影响，因此压差阻力在一定时间内存在变化波动。清管器气动阻力需要动态考虑清管器非匀速运动现象，为此特别采用区域运动网格策略：将三维网格模型中的非结构网格设置成刚性网格，其中，刚性网格随清管器运动而运动，且运动过程中网格形状、相对位置、空间排序保持不变，剩余的结构网格随清管器运动增加或删减，即射流清管器即将运动到的位置增加结构网格，已经运动过的位置将结构网格删除，以实现计算域的变动。

建立三维网格模型后，设置三维网格模型的工况及边界条件以及射流清管器的初始运动条件，其中，三维网格模型的工况包括：射流清管器扰动气体流动的计算域、气体输送量、管道类型以及管壁厚度其中之一或任意组合；边界条件包括：管道进口处气体流量及压力、管道出口处气体流量及压力、射流清管器的运动区域。具体实施例中，射流清管器扰动气体流动的计算域例如包覆整个射流清管器以及管道内部被扰动的气体空间，整个计算域参考坐标系采用笛卡尔直角坐标系oxyz，坐标原点位于清管器轴线，原点距离前、后皮碗端面等距。x轴与清管器轴线重合，正向指向来流主向、y轴、z轴按右手直角坐标轴排序，xoy面与过清管器筒体的泄流孔对称面重合。气体输送量例如可以是天然气管道中输送气体量；管道类型例如可以是天然气管道类型，例如是否是长输直管；管壁厚度例如可以是天然气管道的管壁厚度。边界条件需说明清管器前端15m管道截面处设置流量进口条件，进口流量(kg/s)，进口表压(MPa)；清管器后端30m管道截面处设置压力出口条件，出口表压(MPa)；计算表压(MPa)和温度(K)。具体实施例中，三维网格模型的工况及边界条件例如表1所示，共有六种具体情况。

表1工况及边界条件设置情况

射流清管器的初始运动条件为管道内的气体的物性，包括：气体密度和气体压力，例如具体实施例中，由于200km管道包含2000kg污垢，按均匀化处理可计算确定混合物性。据此计算混合气体物性如下：

其中，m_i为混合气体中第i类组份气体分子量，k_i为混合气体中第i类组份气体质量组份，μ_i为混合气体中第类组份气体粘性系数，T为混合气体温度，p为管道内气体压力；R为气体常数，R＝8.314。

经计算确定混合气体中，甲烷质量组份为99.99583275％，混合气体分子量16.05，混合气体粘性系数为1.09kg/(m·s)，混合气体密度为29.59kg/m3(设定气体温度300K)。

基于三维网格模型、三维网格模型的工况和边界条件，以及射流清管器的初始运动条件，利用计算机CFD软件，求解三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力，其中气动阻力即为p₁-p₂表示的压差推动力。

得到气动阻力后，根据图2所示的射流清管器运动过程受力分析图，得到得到射流清管器结构阻力，即气动阻力和管道摩擦力的总和。

具体实施例中，考虑到射流清管器运动对周围气体造成剧烈扰动，计算过程中将管道内气体流动状态设置为湍流状态，利用k-ε湍流模型进一步模拟清管器扰动的天然气气流运动状态。计算过程中设定时间步长为5×10^-5s。整个计算过程中调控Courant数，确保单时间步计算残差收敛至平稳状态。

如表2所示，即为表1所示的具体实施例的计算结果：

表2射流清管器运行过程中结构阻力计算数据

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种射流清管器结构阻力计算装置，由于射流清管器结构阻力计算装置所解决问题的原理与射流清管器结构阻力计算方法相似，因此射流清管器结构阻力计算装置的实施可以参见射流清管器结构阻力计算方法的实施，重复之处不再赘述，具体结构如图3所示：

数学模型构建模块301，用于根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；

三维网格模型构建模块302，用于对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型；

参数设置模块303，用于设置三维网格模型的工况及边界条件以及射流清管器的初始运动条件；

计算模块304，用于基于三维网格模型、三维网格模型的工况和边界条件，以及射流清管器的初始运动条件，求解三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

数据分析模块305，用于基于射流清管器运动过程的受力分析，根据气动阻力得到射流清管器结构阻力。

具体实施时，射流清管器扰动气体流动的三维数学模型包括：

其中，m表示射流清管器质量；V表示射流清管器运行速度；t表示射流清管器运行时间；p₁表示射流清管器尾端所受压力；p₂表示射流清管器首端所受压力；A表示射流清管器的横截面积；β表示管道倾角；F_c表示射流清管器与管壁的摩擦力。

具体实施例中，三维网格模型构建模块302具体用于：

对射流清管器的简化三维实体模型结构表面划分为非结构网格；

将射流清管器的简化三维实体模型周围的管道空间分成多个对接区域，对多个对接区域划分为非结构网格；

在除了多个对接区域之外的管道区域，划分为结构网格。

具体实施时，三维网格模型构建模块302具体还用于：将三维网格模型中的非结构网格设置成刚性网格，其中，刚性网格随清管器运动而运动，且运动过程中网格形状、相对位置、空间排序保持不变。

具体实施例中的射流清管器结构阻力计算装置，还包括：气流状态设置模块，用于：

将输气管道内气体流动状态设置为湍流状态；

利用k-ε湍流模型模拟射流清管器扰动的气体流动状态。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述射流清管器结构阻力计算方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有执行上述射流清管器结构阻力计算方法的计算机程序。

综上所述，本发明实施例提供的射流清管器结构阻力计算方法及装置具有如下优点：

通过在射流清管器运动过程中，模拟射流清管器附近扰流流场，从而计算得出清管器运行阻力；通过对运动过程进行受力分析，计算得到射流清管器的结构阻力，从而为有针对性地调整清管器的清管扫线工艺提供依据，有利于提高管道输送效率，延长管道使用寿命，提高管道工艺管理水平。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种射流清管器结构阻力计算方法，其特征在于，包括：

在射流清管器运动过程中，模拟射流清管器附近扰流流场，根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；该三维数学模型描述射流清管器扰动的气体的流动状态；

对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型，包括：

对所述射流清管器的简化三维实体模型结构表面划分为非结构网格；

将所述射流清管器的简化三维实体模型周围的管道空间分成多个对接区域，对所述多个对接区域划分为非结构网格；

在除了多个对接区域之外的管道区域，划分为结构网格；

设置所述三维网格模型的工况及边界条件以及所述射流清管器的初始运动条件；

基于所述三维网格模型、所述三维网格模型的工况和边界条件，以及所述射流清管器的初始运动条件，求解所述三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

基于射流清管器运动过程的受力分析，根据所述气动阻力，得到射流清管器结构阻力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射流清管器扰动气体流动的三维数学模型包括：

其中，m表示射流清管器质量；V表示射流清管器运行速度；t表示射流清管器运行时间；p₁表示射流清管器尾端所受压力；p₂表示射流清管器首端所受压力；A表示射流清管器的横截面积；β表示管道倾角；F_c表示射流清管器与管壁的摩擦力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述三维网格模型中的非结构网格设置成刚性网格，其中，所述刚性网格随清管器运动而运动，且运动过程中网格形状、相对位置、空间排序保持不变。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维网格模型的工况包括：

射流清管器扰动气体流动的计算域、气体输送量、管道类型以及管壁厚度其中之一或任意组合；

所述边界条件包括：

管道进口处气体流量及压力、管道出口处气体流量及压力、射流清管器的运动区域。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射流清管器的初始运动条件为所述管道内的气体的物性，包括：气体密度和气体压力。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

将输气管道内气体流动状态设置为湍流状态；

利用k-ε湍流模型模拟所述射流清管器扰动的气体流动状态。

7.一种射流清管器结构阻力计算装置，其特征在于，包括：

数学模型构建模块，用于在射流清管器运动过程中，模拟射流清管器附近扰流流场，根据气体状态方程，构建射流清管器运动时扰动气体流动的三维数学模型；该三维数学模型描述射流清管器扰动的气体的流动状态；

三维网格模型构建模块，用于对管道及射流清管器进行网格划分，建立三维网格模型，包括：

对所述射流清管器的简化三维实体模型结构表面划分为非结构网格；

将所述射流清管器的简化三维实体模型周围的管道空间分成多个对接区域，对所述多个对接区域划分为非结构网格；

在除了多个对接区域之外的管道区域，划分为结构网格；

参数设置模块，用于设置所述三维网格模型的工况及边界条件以及所述射流清管器的初始运动条件；

计算模块，用于基于所述三维网格模型、所述三维网格模型的工况和边界条件，以及所述射流清管器的初始运动条件，求解所述三维数学模型，得到射流清管器运动过程中所受的气动阻力；

数据分析模块，用于基于射流清管器运动过程的受力分析，根据所述气动阻力得到射流清管器结构阻力。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一所述方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至6任一所述方法的计算机程序。

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