气体泄漏传热模型及其有限元分析

　　目前对于气体泄漏点定位研究多集中在长距离石油、天然气输送管线方面, 而对于非管道类对象的气密性检测定位的研究较少[ 1-3] 。现有手段主要包括[ 4-5] : ¹ 在传统水检法中人工观测气泡位置确定泄漏点; º 采用氦气或卤素气体示踪, 根据氦质谱检测、卤素检测原理利用手持探头进行泄漏点定位;» 在超声波泄漏检测中利用定向探头检测泄漏点位置。其中, 方法¹ 、º 受检测原理所限, 存在着效率低下、无法在线诊断等缺点。而方法» 只有在泄漏孔较大并且泄漏气体为湍流时才可以采用, 且容易受到噪声干扰。众多的工业生产过程迫切需要一种更加高效、可靠的泄漏定位方案。

　　伴随着红外技术的日臻完善, 利用热成像方式进行气密性检测定位的方法得到了越来越广泛的关注。本文的工作正是基于这样的背景进行的, 目的在于通过分析泄漏孔处的流动及传热特性建立热计算模型, 为红外泄漏检测以及漏孔定位研究提供理论基础。

　　1 泄漏流动分析

　　对气体泄漏进行传热分析, 从物理量上考虑, 主要是对泄漏稳态流场与热传导的耦合场进行分析,因此首先需要对泄漏流动进行计算。

　　气体在泄漏孔中流动可以类比气体微元在管道内的流动, 如图1 所示。泄漏发生时, 漏孔进出口端压力差较大, 气体密度变化也比较大, 因此,可以把孔内气体看成可压缩流体, 应用连续性方程进行求解。

　　实际气体的泄漏流动介于等温流动和绝热流动过程之间, 但在分析泄漏稳态流场时, 用等温过程和绝热过程描述气体运动结果相似[ 6] , 因此暂不考虑泄漏气体与孔壁间的换热作用。利用计算流体力学方法, 把泄漏气体流动看作理想气体的可逆绝热过程, 遵循理想气体的状态方程和泊松方程, 考虑摩擦力并利用能量守恒方程和动量方程描述如下:

　　2 传热模型

　　当被测对象发生泄漏时, 漏孔处的传热过程主要分为两类: 一类是由于压缩气体通过泄漏孔节流膨胀产生的降温作用, 即焦耳-汤姆逊效应; 另一类是气体介质与被测漏孔内壁接触产生的对流换热作用。泄漏孔处温度的变化主要由这两类传热过程叠加所致。

　　2. 1 泄漏温差的焦耳-汤姆逊解释

　　在节流过程中, 气体的温度随压强变化的现象称为焦耳-汤姆逊效应。通常情况下, 在以压缩空气为介质的泄漏检测领域, 气体温度一般在250~ 350 K之间, 压力一般小于10 MPa, 因此, 根据焦耳-汤姆逊T-P 图上的空气等焓反转曲线可知, 泄漏节流产生正效应, 即气体通过泄漏孔节流膨胀后温度降低。