摘要：本文分析了管线在充压操作时，气体高速射流冲出时对管壁的冲击作用。文中采用分析以及数值模拟了管道充压时气流的跨音速流动过程。分析方法结合气体动力学和自由射流模型，计算射流的冲击作用。数值模拟利用高精度格式离散欧拉方程仿真模拟了管线在冲压操作时的气体参数变化过程。研究表明：由于管线中射流前后管径相差很大，高速气流会减弱到管壁可承受的范围。
关键词：管线；射流冲击；自由射流；仿真模拟
前言：在长输天然气管道运行过程中，需要经常进行流程切换、设备排污等作业，从而不可避免的需要进行管线放空、充压操作，由于阀门前后的巨大压差，管道内会出现激波等强间断流动[1]。管线在不同管道连接处会形成高速射流和膨胀波等复杂流动[2-3]。在操作过程中，除因强剪切层产生的噪声污染外，高速气流射出时可能也对管壁造成强烈的冲刷，这种高速气流可能对管道的壁厚和安全性造成威胁。对应于超音速流动[5-6]和射流冲击模拟[7]可采用计算流体力学（CFD）来进行求解。但由于管线的连接和尺寸限制，给CFD的使用带来一定的困难。本文首先结合气体动力学和射流模型分析了在不同背压下，射流到达管壁的速度变化过程。同时利用CFD模拟二维管道的跨音速射流，分析了高速气流对管壁的影响。
1. 管道模型
选取西二线高陵分输压气站第一路组合式分离器及其进、出口阀之间管段为计算样本，如图1，该段管容约为15m³。平压管线为Ø60x5的管道，进口阀上游压力设为8MPa，待平压管段起始压力为0MPa，假设平压阀开度100%：
图1：组合式分离器与平压管线现场布置图
2 .分析模型和计算结果
由于图1管线中平压管线直径相对于输气管道中直径相差较大。因此可以将之视为气体自孔口、喷嘴向外喷射所形成的流动即气体射流。同时由于平压阀前后存在巨大的压力差，在打开阀门的时，会形成激波等强间断解，同时在气体射流处会形成膨胀波。因此结合空气动力学和射流分析在不同背压下的气流冲击壁面的速度。
2.1.相关计算
高压侧表压为8.0MPa，低压侧表压为0MPa，故背压pb=0.1MPa；总压p*=8.1MPa；
（1）
假设Ø60x5管段为管道1，Ø610X20待升压管段为管道2；气流在内径50mm的管道1处为超临界状态，即管道1处ma1=1。假设总压不变，从管道1到输运管道空间2处，产生膨胀波，气动函数
式中 ，计算结果 。根据普朗特-迈耶函数膨胀波的气流转折角度为60度（计算公式 ）。
图2 超临界状态下气体流动
气流射入管道2后以扩张角 ，打到壁面上，半径为1m，可将气流视为自由淹没射流。假设：射流中任一点的静压强等于周围气体的压强；射流的动力学特征为各截面上的动量相等（动量守恒），以及各截面的半经验关系式
轴向速度关系式：
假设横截面经验关系式为
Vm为到达管壁壁面横截面中心速度，整理得：
其中 ， ，
。
从上述计算结果可知，气流从平压管线出口进入到气室后速度衰减的很快，到达管壁时的速度已经很低了，因此对管道不会造成很大的冲击。
随着气流不断充满管道2，背压逐渐增大，当气流到达临界条件时，气室压力为0.582*p*，无膨胀波，单纯自由空间射流
图3 自由射流流动
管壁壁面横截面中心速度与射流核心速度比值关系
式中，无因次距离 ，a为自由射流 圆柱管面关于扩张角度的一个参数，该参数值为0.08。
=声速=340m/s
当气室背压超过临界压力时，速度低于马赫数1，速度vm降低。
从上述计算结果可以看出：
1）超临界状态有膨胀波时，存在气流偏转角度，不是单纯的自由射流。随着背压增加，偏转角度减小，到达壁面速度逐渐增大；
2）到达临界状态，自由射流，这时到达气室壁面速度最大；
3）亚临界状态，气室背压超过临界压力时，速度低于马赫数1，偏转角度不变，速度vm逐渐降低。
3. 分析模型和计算结果
针对管线充压过程中射流计算。首先将管道简化为二维结构，采用结构化网格离散，如图4所示。忽略粘性，利用密度基求解欧拉方程，对流项采用AUSM格式离散，时间项显示离散。进口条件为总压进口，利用直管道中阻塞以计算静压，得出进口速度，出口为无反射压力出口条件，指定不同的出口压力值，以模拟平压阀打开是随时间变化时射流的变化状态。
图4管道模型和计算网格
图5和图6为CFD计算结果，其中图5为超临界情况下速度大小分布图，可以看出当阀门刚打开时，进行充压操作时，由于存在大的压力梯度，而形成膨胀波与激波等复杂流动。与图2相比由于管道和阀门等限制，流动比不是自由射流，但偏转角度大小差不多。射流对管道壁面的冲击，速度大约为200m/s。
图5 管道超临界流动图 6 管道亚临界流动
图6为亚临界状态下，射流流动速度大小云图。可以看出，流动不像超临界状态复杂，与图2的分析结果相比，图4中射流的扩张角度大小相差不大。气流冲击速度为150m/s.
3. 结论
针对输气管道再启动特点，利用空气动力学和自由射流理论，建立相应数学计算分析模型，给出计算方法，同时利用CFD仿真模拟了射流充压过程，得出如下结论：
3.1.在阀门开启时，由于管线中管道间半径相差较大，气流冲击速度为150m/s左右。但气流密度较低，因此不会对管壁威胁不大。
3.2.分析模型与CFD模拟相比，主要差别在自由射流假设上，由于管道壁和阀门组成的限制，射流呈现单边发展的趋势。但射流的扩张角度两者计算相差不大。
3.3.CFD仿真模拟结果能较好显示流场速度分布图与变化情况，但由于受到管道模型大小以及计算条件的限制，并没有完全模拟阀门开启充气时的压力变化过程，而只是选取代表性的压力作为出口条件。下一步计算可考虑模拟真实的充压过程。
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作者简介：谢立伟（1984——），男，山东潍坊人，助理工程师，毕业于西北工业大学飞行器动力工程专业。
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