天然气管道泄漏应力波波速估计

【摘要】：高压、次高压输气管道是城镇化建设中的重要组成部分,当管道受到自然或人为因素的破坏而发生不同程度的泄漏时,由于管道自身和外界环境因素干扰造成泄漏信号的传播速度不一致,直接影响管道泄漏定位的精度。因此本文提出根据采集到的应力波信号特征准确地估计应力波传播速度,这对精确定位管道泄漏位置具有重要作用。本文在研究了应力波产生机理的基础上,通过ANSYS软件建立有限元模型,首先对不同孔径、不同管内压力下的泄漏应力波的产生机理进行数值仿真研究,然后分析了不同条件下产生的应力波在管道模型不同位置处的传播速度以及幅频特性;最后对采集到的应力波进行波速测量,与仿真信号在管道模型上的传播速度作对比,分析产生差别的原因。本文的工作主要有以下内容:第一,利用ANSYS Workbench构造了不同泄漏孔径的管道模型,通过ANSYS Fluent模拟了管内不同压力下泄漏孔处压力波动情况,导出压力载荷数据用于后续结构分析。通过ANSYS APDL对不同孔径,不同管内压力的泄漏应力波产生机理进行数值模拟研究;然后根据应力波传播特性,利用ANSYS软件,对不同形式的应力波在管道体上传播的问题进行仿真研究,观测其在传播不同距离后的幅频特性以及波速的变化;根据导波理论,推导了空心圆柱壳内的频散方程,将实验管道参数代入方程,并通过Matlab仿真得到关于此管道的频散曲线。第二,针对气体泄漏应力波的非平稳特性,本文研究了一种将局域均值分解(Local Mean Decomposition,LMD)与超熵相结合的管道泄漏应力波波速估计方法:对泄漏应力波LMD分解后,计算每一个PF分量的超熵值,选择超熵值最大的PF分量作为主PF分量,对主PF分量做互相关分析,求得两段信号之间相关性最强的频率,结合信号的频散特性获得应力波的理论传播速度。最后,按照本文方法分别对相同泄漏孔径不同管内压力、相同管内压力不同泄漏孔径条件下采集的实际应力波进行处理,估计应力波在不同条件下的传播速度,比较其与理论波速的区别,最后得出,在同等条件下,理论波速变化趋势与实际波速变化趋势相吻合。 【关键词】：管道泄漏 应力波 局域均值分解 超熵 导波
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE88
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 输气管道应力波波速估计研究背景及意义10-12
• 1.2 管道应力波波速估计的国内外发展现状12-16
• 1.2.1 国内外波速估计研究现状13-15
• 1.2.2 波速估计在国内外管道泄漏检测产品中的应用15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 管道应力波产生的基本原理及数值仿真18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 应力波产生机理18-19
• 2.3 管道中应力波产生数值仿真19-30
• 2.3.1 ANSYS瞬态动力学分析简介19-20
• 2.3.2 泄漏管道模型的建立20-21
• 2.3.3 泄漏孔径对泄漏情况的影响21-25
• 2.3.4 管内压力对泄漏情况的影响25-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 管道应力波传播理论及数值仿真31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 导波的定义31-33
• 3.3 管道中导波的传播33-40
• 3.4 应力波信号传播的影响因素40-41
• 3.5 应力波传播特性41-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 基于LMD分解的应力波波速估计方法45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 LMD算法基础研究45-49
• 4.2.1 瞬时频率45-46
• 4.2.2 LMD算法基本原理46-49
• 4.3 超熵指标选取泄漏分量49-51
• 4.4 基于LMD分解及超熵的波速估计方法51-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第5章 管道泄漏应力波传播的实验研究54-65
• 5.1 实验数据采集54-56
• 5.2 数据处理及分析56-64
• 5.2.1 实验数据处理及分析56-58
• 5.2.2 PF分量选择及分析58-60
• 5.2.3 实验数据分析与对比60-64
• 5.3 本章小结64-65
• 结论65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果71-72
• 致谢72

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