《流体波作用管道解堵试验研究及数值模拟》.

工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://ees.elsevier.com/jestch/default.asp全文流体波作用管道解堵试验研究Seckin Gokaltuna，*，Dwayne McDaniela，Amer Awwada，Jose Varonaba佛罗里达国际大学应用研究中心，10555 W。Flagler ST，EC 2100，Miami，FL 33174，USA地址：1535 Levante Avenue，Coral Gables，FL 33146，USAA R T IC L EIN F O文章历史记录：2013年12月12日收到26 March 20142014年3月27日接受2014年4月27日在线发布保留字：管道解堵流体瞬变特征线法波浪侵蚀核废料A B S T R A C T在佛罗里达国际大学建造了一个直径为7.62厘米的管道网络，以方便数据采集，用于NuVision工程公司基于波浪侵蚀原理的管道疏通技术的设计优化和性能评估。在三种不同的试验床长度（86.87，189.28和547.73米）使用三种类型的塞子材料，以确定该技术相对于管道长度的有效性。 侵蚀率测定每种类型的插头和在每个测试床的长度。 尽管在侵蚀速率和其他试验参数之间观察到了一些相关性，但直接影响侵蚀速率的参数并不容易辨别。据观察，解堵技术会在堵塞位置产生压力放大，这与过程控制参数相关（即，相同驱动压力的驱动时间增加将增加放大系数，抽吸时间增加将降低放大系数）。还注意到，空腔尺寸影响放大因子和由此产生的波速。采用基于特征线法的数值计算方法，对压力和流量进行了预测由管道中的解堵技术引起的流体瞬变产生的速率。结果表明，数值模拟结果与实测压力变化吻合较好并且该建模可用于预测较长管线的解堵性能。Copyright© 2014，Karabuk University. 由爱思唯尔公司制作和主持All rights reserved.1. 介绍能源部汉福德工厂是世界上第一个钚生产综合体，从1944年到1989年一直在运行。由于核武器计划，产生了53兆加仑的放射性废物，并储存在汉福德的177个地下储罐中。自1959年以来，在40年代至60年代中期建造的149个单壳罐中，有67个被认为已经泄漏了大约1兆加仑的液体废物到地下。能源部于1989年开始了汉福德的在该回收和处置计划期间的挑战之一在过去，一些管道在废物转移过程中堵塞，导致进度延迟和成本增加[9，11，19]。此外，管道堵塞被认为是可能导致汉福德废物处理和固定化工厂（WTP）计划外停机的主要问题之一，*通讯作者。电子邮件地址：gokaltun@fiu.edu，gokaltun@gmail.com（S. Gokaltun）。Karabuk大学负责的同行审查操作[12]。因此，管道拔管技术的可用性对于确保废物转移的顺利运行和确保满足Hanford罐区清理里程碑至关重要[5]。佛罗里达国际大学（FIU）之前已经通过行业电话测试和评估了各种拔管技术，其中包括用于管道拔管的原位和远程机械方法[2]。现场方法利用液压加压和机械磨损来拔出管线。评估的一种方法包括诸如哈本高压喷射系统等技术，该系统具有各种喷射头，可以连接到清洁软管上，并在6.89和27.58 MPa之间操作。FIU试验台中使用的系统还配备了哈本的泵喷射水脉动模块，该模块有助于系统清除困难的堵塞物，并帮助软管绕过肘部等障碍物。该系统用于开放式管道，以允许插入清洁软管并排出去除的堵塞材料和水。喷射头连接到软管的末端，既充当另一种现场评估技术是 Aqua Miser ，一种 103.42e275.79 MPa的水射流系统。由于穿过软管的大的压降，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2014.03.0052215-0986/Copyright© 2014，Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持All rights reserved.74S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84该技术只能延伸到大约121.92-m的直线段（或76.20 m的弯头），限制了塞和管道入口之间的长距离测试的另一种现场方法是RidgidSnake，它由一根约45.72 m长的半柔性钢棒组成，该钢棒带有插入管道中用于清除堵塞物的切割刀片尖端。这条蛇被安置在一个旋转的滚筒内，滚筒用于从管道中进给和缩回蛇。这些现场方法都能够移除特定类型的堵塞物，只要堵塞位置距离管道接入点很近。由于许多用于转移高放射性废物的管道一种这样的远程方法涉及利用压力脉冲来去除管道中的结垢物质或堵塞物，这已经在各种专利[4，6，7]和研究文章[13，15，23]中有所记载。Mazzola等人[13]使用脉冲声波从管道和热交换器的内壁去除生物污垢材料，而Paddock等人[15]提出了一种基于超声波压力波产生的水平井眼清洗方法Zollinger和Carney[23]开发了一种液压系统，该系统可以产生压力脉冲，使水柱和管壁以不同的频率共振，从而消除堵塞。在FIU测试的远程方法利用高频压力脉冲或波侵蚀来动态加载塞。评价的一个系统是AIMM Technologies提供的流体动力学技术该系统的工作原理是将重复的高频压力脉冲注入管道，以在管壁和塞子中产生不同频率的振动。这些不匹配的振荡旨在通过破坏壁和塞子之间的键来另一个评估的系统是NuVision Engineering该系统的运作很像海浪对海滩侵蚀的作用，加上正负压力脉冲，往往会松动堵塞。它可以在堵塞物下方的长管道上运行根据FIU的模型测试，这些技术被确定为两种替代方法，可以承受在放射性环境中的严格操作，并有能力处理尖锐的90度弯头。橡树岭国家实验室的一项单独评估，市售拔管方法的鉴定证实了这些发现[14]。本文仅介绍了FWT的测试和数据分析，因为流体动力学方法的测试表明，当管道在DOE输送管线的压力限制（2.07 MPa）内运行时，该技术无法成功地疏通管道。本文的主要内容如下：首先，介绍了实验装置和行波管的工作原理。接下来，对系统的拔出性能的数据分析结果进行了解释提出了一个数学模型来估计FTW的性能，在管道中的压力分布，在一个拔出事件。最后得出结论，并讨论了结果中的一些不确定性2. NuVisionNuVision它可以在堵塞物下方的长管道上运行该系统由一个水/溶剂罐、一个加压/真空容器（装料容器）、一个便携式空气压缩机、喷射泵对和阀组、一个真空控制单元、一个真空精制泵、一个系统控制器和一个系统模块组成（图1）。管道解堵作业原理Fig. 1. 流体波作用技术管道解堵橇。Nuvision的FWT如下：首先，使用真空泵将堵塞物下方的管道中的大部分空气排出。一旦建立了所需的真空度，就打开球阀，并允许流体回灌管道。由于一部分空气留在管道中，在升高的堵塞物附近形成空腔。然后，通过以循环的方式向流体提供正压和负压，使用流体控制系统在流体中产生波浪。一个循环由三个阶段组成：吸入阶段、驱动阶段和排气阶段。 在抽吸阶段，管线中的一些液体被拉回到进料容器中。在驱动阶段期间，流体被快速排出，在堵塞物附近的腔中产生波。在排放阶段，系统被排放到大气中，允许流体沉降。这个过程重复多次，直到堵塞物被清除。每个循环的频率和持续时间以及压力可以通过可持续控制单元进行控制。这与所选溶剂的溶解作用以及真空和压力循环的物理作用相结合，起到侵蚀和松动堵塞的作用。为了产生超声波动作，NuVision使用了复杂的气动泵送系统。水储存在一个3.79-m3的储罐中，并进入泵橇。水可以被允许流动S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e8475直接注入管道试验台，也可用于填充0.15m3装药容器。空气压缩机提供压缩空气，0.97 MPa。压缩空气通过喷射泵，该喷射泵可提供真空并将水从管道抽入进料容器（抽吸阶段），或者可用于提供正气压并将水从进料容器中排出。在对管道进行吹扫之前，使用喷射泵在管道中抽真空。然后使用真空泵来实现所需的真空水平，所抽真空的大小决定空气腔的大小。 在管道内建立低压后，使用储水罐对管道进行注水，直至压力稳定。管道堵塞后，设备以三相循环的方式使用，不断重复以清除堵塞。在操作设备之前，需要设置的设备控制参数为：真空水平、驱动压力水平、抽吸时间、驱动时间和排气时间（或排气压力水平）。3. 实验装置用于技术鉴定的仪表测试台的设计和建造能够评估许多参数对技术有效性的影响，包括：到塞子的距离，管道布局（例如，弯管、膨胀管、异径管等）和有限的可达性连接（通过坑内的汉福德连接器）。试验床的示意图如图2所示。试验床是用直径7.62厘米、长53.34厘米、附表10的碳钢管建造的部分加入通过Victaulic联轴节.到模拟为了在坑中与输送管线连接，入口部分通过尖锐的90°弯头垂直连接到长的水平部分。试验台入口点配备了标准的7.62-cm范围（Victaulic 741）。 如图 2.压力传感器遍布试验台，以评估管道长度和配置变化（如弯头、异径管和伸缩接头）的影响。此外，在堵塞物附近放置了一些压力如图3所示，三个2.44米的透明PVC管段位于堵塞物的上游。这就允许在波接近阻塞物时对的明确截面倾斜1度，以模拟DOE汉福德遗址。将堵塞物放置在1.22米的透明PVC段中。PVC和一些塞子之间的摩擦系数较低，需要在堵塞物后面放置一个球阀，以防止堵塞物移动，否则，堵塞物可能会在测试过程中被推出。将53.34-cm的管段用作排放段，并放置在球阀之后。透明PVC的操作压力是试验床的限制性部件，最大操作压力为1.034 MPa;因此，在上游和透明倾斜部分附近安装额定压力为1.034 MPa的泄压阀 也示于图 2是一个可拆卸的伸缩缝，位于倾斜的净段的上游。该接头包含三个3.048米的截面，模拟了汉福德跨场线路的典型旁路连接（图4（a））。在某些情况下，拆除了膨胀节，以评估有和没有接头的技术的有效性。为了评估其对技术有效性的影响，使用了两个可移动的异径管，使管道直径突然收缩至5.08 cm，随后膨胀回7.62 cm（图1）。 4（b））。减速器安装在86.87米的试验台上，位于伸缩缝的上游共13个压力传感器（Omega PX209），-101.35至930.79 kPa和2 ms的响应时间被放置在图二、试验台示意图（尺寸不按比例）。沿着管道的不同位置，以便跟踪管道内压力波的传播。传感器连接到National Instruments Field Point数据采集系统，用于在拔出测试期间同时记录沿测试床的压力。3.1. 封堵材料使用三种堵塞材料以评估解堵技术的有效性如何受到堵塞物的化学和流变特性的高岭土/水混合物用于模拟沉降污泥，而磷酸盐和铝凝胶型堵塞材料用于模拟76S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84表1高岭土水混合物与汉福德池污泥的材料性能比较。d（mm）s（kPa）r（g/cm3）高岭土水混合物（66重量%）1.02 3.5 1.65油罐污泥1.2 0-5 1-2图3.第三章。7.32米管道倾斜透明管段，用于目测。结晶盐塞文献表明，与输送系统堵塞、堵塞和段塞的可能性最相关的堵塞材料特性是粘结性【8，17】。内聚性表征材料粘附到自身和输送系统设备上的趋势。对于许多淤泥状材料，预期的粘结性是剪切强度的函数[17] 。Golcar 等人推荐 高岭土- 粘土- 水混合物 作为污泥模拟物[8]Powell et al.[17]因为它的剪切强度、粘结性、粒度分布和密度（在水中66和67重量%高岭土下）与槽污泥相似（表1）。有关高岭土模拟物的更多信息，如粒度分布、剪切强度和流变学数据，请参见文献[16，17]。本文作者还进行了高岭土-水混合物的剪切强度、拉伸强度和粘性的测定，证实了本研究所用高岭土-水混合物的剪切强度和拉伸强度与文献相似（图1）。 5）。在大桶中制备高岭土-水混合物，使用钻孔附件混合直至达到均匀性四英尺长的聚氯乙烯管被混合物完全填满.为了消除填充过程中堵塞物内部可能存在的气隙，使用扭矩扳手将堵塞物压缩至10.68 kN。汉福德和WTP工程师建议使用磷酸盐和铝凝胶作为结晶盐堵塞模拟物。由于温度变化引起的废盐沉淀或由于不同废物类型的混合引起的过饱和，可能在管道中形成这种类型的堵塞[10]。磷酸盐模拟物的组成见表2[18]。该组合物首先在实验室中以小样品制备，并且观察到当冷却至室温时形成凝胶。为了获得1.22 m的磷酸盐堵塞，制备了两批0.003 m3的凝胶， 如图 所 示。第 6（a）段。透明管子的两端关闭并将凝胶倒入管中直至充满。使其以直立位置排出，并且随着水从管道排出，从顶部添加新的凝胶（图6（b））。重复该过程，直到水不再从管道中排出，这花费了大约5至 7天。铝凝胶的配方由WTP和太平洋西北国家实验室（PNNL）提供，需要分别制备基质溶液和胶凝溶液。进行烧杯测试并观察到胶凝（图7）。首先，将硝酸铝单独溶解在水中以制备基质溶液。将氢氧化钠和碳酸钠溶解在单独的杯中以制备胶凝溶液。最后，将胶凝溶液加入到基质溶液中以得到最终的AleOH凝胶。成分的组成在表2中给出。对铝凝胶堵塞进行类似于磷酸盐凝胶的引流程序。使用手动柱塞来增加堵塞的机械完整性。所有的塞子都是在1.22米的管道长度中创建的在每次解堵试验之前和之后对它们进行称重，以确定去除的堵塞材料的重量和有效解堵率。3.2.测试计划表3总结了参数测试计划，包括在三种管道长度中的每一种长度上使用三种不同堵塞的十六次试验。虽然用机械波能解堵也是可能的，但解堵只能考虑溶蚀法和溶解法。对于所有堵塞类型和所有管道长度，在基线试验台中使用伸缩接头，而在没有伸缩接头的每个管道长度处使用高岭土堵塞进行一次试验，以确定伸缩接头对解堵率的影响（在表3中标记为NEJ）。对于86.87-m试验台，使用两个7.62 cme 5.08 cm异径管在伸缩缝上游插入一个缩径管，以观察其可能对管道压力和解堵率产生的影响此外，进行了盲探试验（无塞），其中改变驱动压力、驱动时间和抽吸时间，以分析它们对波动力学和所得压力的影响。见图4。 还评估了膨胀接头和管道横截面积的减少。S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e8477¼¼1/1真空度（Pvac）通常是固定的，但547.73 m试验台除外，在该试验台上，抽真空度较高，以减小空腔尺寸。还在每个管道长度、不同的驱动压力、驱动时间和抽吸时间进行了单独的盲管试验，以确定每个设备控制参数对波和压力动力学的影响，而不影响堵塞。表3中的关键观察结果与设备控制参数的变化有关随着管道长度试验台的增加，所使用的控制参数的可变性也增加。这被认为是由于在测试期间观察到的周围4. 实验结果4.1. 管道中的压力分布在腐蚀过程中，驱动压力对管道中的流体柱增加了动量，这有两个作用：1）它压缩了腔体中剩余的空气，导致堵塞位置处的压力增加; 2）产生了一个波，该波反过来试图腐蚀堵塞物。与驱动压力相比，压力的增加有时会导致塞子位置处的压力放大，如图8所示。了解这种压力放大是鉴定NuVisions技术在DOE传输线安全部署的关键概念之一。观察到，即使在相同驱动器的多个循环中控制参数保持不变，放大系数（G iP塞/P入口P13/P1）也可能发生变化压力为了得到平均放大因子（G），观察到的扩增因子通过G¼PN平均G i=N图五. 本 研究所用高岭土-水混合物的物理性质。还应注意的是，一些早期试验是在装料容器为空的情况下进行的这可能导致在驱动阶段向管道中添加空气，并最终要求在测试期间改变控制参数。除磷酸盐试验外，这些试验均采用部分灌装的装料容器进行，因为磷酸盐塞在存在水的情况下似乎相对容易溶解。表3中带星号的情况表明，这些试验是在没有部分填充的装料容器的情况下进行的。一般来说，NuVision改变了五个设备控制参数中的三个：抽吸时间（Ts）、驱动时间（Td）和驱动压力（Pd）。排气时间（Tv）最初设置为特定时间，但经过几次测试后，它被设置为特定的压力水平（Pvw 20 kPa）。的表2磷酸盐和铝堵塞模拟物中化学品的摩尔浓度值组件磷酸铝NaAlO21.00.0NaOH2.03.0Na2 CO30.10.5硝酸钠7.00.0Na3 PO4 0.25H2 O 12H2 O0.30.0Al（NO3）9H2O0.01.0通过改变三个主要工艺控制参数（Td、Ts和Pd）来确定它们对G.最初，使用盲管代替塞子，以消除堵塞物对G。 图图9显示了在固定Pd和Ts值时G相对于Td的变化，而图10给出了G与Ts的类似关系。一般情况下，观察到对于固定的Ts和Pd，增加Td导致G增加。这可以通过Td和Ts决定注入管道的如果在驱动阶段引入的水量增加，即驱动时间越长，气泡被压缩的程度越大，气腔压力越大，G.对于这种情况，将预期将达到驱动时间的增加将停止压缩空气腔并且将仅导致能量损失对于Ts，观察到相反的情况。如图10所示，随着Ts的增加，放大因子几乎呈线性下降。在Td不变的情况下，随着抽吸时间的增加，循环管路中的流体体积减少，从而使管端空气腔体积增大。这导致了G的减小，因为留在管道中的水不能压缩相同体积的空气，因为它可以具有较低值的Ts。图图9和图10表明，一般来说，驱动压力有利于放大系数。对于所有管道，总的趋势表明，对于相同的Td和Ts，NuVision工程师指定的Pd的增加导致G的增加。较大的Pd对应于装料容器中较高的活塞力，这增加了恒定Td和Ts时系统中的能量输入，并导致较高的波速击中堵塞物。结果表明，随着Pd的增大，压缩空气腔的净动量增大，从而导致G值增大。其中N是循环的总次数。78S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84¼¼¼¼见图6。 制备1.22-m磷酸盐塞。4.1.1. 堵塞情况下的压力放大图在图9和图10中，对于三个测试床长度中的每一个，用符号表示在管道中堵塞时获得的G值。这些图提供了堵塞可能对获得的扩增因子产生的影响。在图9（a）中，高岭土和铝凝胶试验似乎与86.87试验床的盲板试验结果一致。请注意，图中还提供了每次运行的方差。磷酸盐试验具有较大的差异，这是由于在没有预充容器的情况下进行试验 虽然平均驱动时间似乎与Td5 s的放大系数相似，但Ts15 s的数据在图中没有相应的趋势线。不带伸缩缝的高岭土试验也显示出T d4s，G明显更大，与预期一致。虽然对于阻塞病例的抽吸时间189.28米试验台如图所示。 9（b），位于趋势线之外，磷酸盐和高岭土的方差包含放大因子趋势线。此外，在Td<$4 s时，相同的膨胀时间（Ts<$8 s）下，无伸缩缝的高岭土试验显著更高对于547.73 m的情况，见图7。 烧杯测试后的铝凝胶。从插头到插头的过程控制参数使得难以确定插头数据和盲量程数据之间的任何对应关系。图图10示出了在X轴上用抽吸时间代替驱动时间的类似图。观察到高岭土和铝凝胶试验与表1中的相应趋势线很好地匹配86.87米试验台。无伸缩缝的高岭土试验再次明显高于外推趋势线。对于189.28 m的试验台，数据似乎更加分散，但不带伸缩缝的高岭土试验除外，该试验与Td¼7 s趋势线一致，虽然那次试验的Td4 s。对于547.73 m试验台，过程控制参数的变化使得难以获得两组数据之间的任何相关性。4.2.解堵率表4显示了通过计算初始和最终重量之间的差异获得的解堵率。表3文本矩阵和堵塞清除率。 所有情况下都使用排气压力（P v<$20 kPa），除了在86.87 m（Ts <$1 s）和547.73 m（P v<$20 kPa或Ts <$8s，以先达到者为准）处发生磷酸盐堵塞的情况。L（m） 堵塞Ts（s） Td（s）Tv（s）Pv（kPa）Pd（kPa）Pvac（kPa）m_（Kg/h）86.87高岭土11 6e20 200-8.86 0.45286.87铝11 6e20 200-8.86 0.70486.87磷酸盐 * 15 5 1e200-8.85 9.586.87高岭土（NEJ）8 4e20 200-8.89 0.9189.28高岭土14 6e20 300-8.86 0.650189.28铝合金18 7e20 300-8.80 0.477189.28磷酸盐 * 15 7e20 300-8.80 10.31189.28高岭土（NEJ）8 4e20 300-8.80 0.282547.73高岭土17 8e 10e20 300-8.80 0.214547.73铝第十四季第十六集第七集东 20 150东 200-9.16 0.146磷酸盐 *15E 16 7E 10 8 20 150E 250-9. 28 6.332547.73高岭土（NEJ）17 11e20 200-9.28 0.088*S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e8479见图8。 86.87-m管线中的压力放大（Pd<$172.37kPa，AF <$3）。包含堵塞材料的管段在堵塞物上花费的总的拔管时间内。除磷酸盐堵塞物外，堵塞物通常被侵蚀原始质量的25%至50%，磷酸盐堵塞物在每个试验床长度处完全溶解。一般而言，用铝凝胶堵塞物获得的解堵率与用高岭土堵塞物获得的解堵率相似。没有伸缩缝的试验是不可预测的。对于86.87 m的试验床，当去除接头时，高岭土的解堵率显著更高。对于较长的运行，情况并非如此。在没有伸缩缝的547.73 m试验中，观察到极低的比率（表4中的 *）。这部分是由于波浪附近的高岭土不容易腐蚀，但水确实设法渗透到塞子中。当对堵塞物进行称重以确定侵蚀百分比时，堵塞物保留的额外水可能会扭曲最终计算的速率，表明有效的解堵速率低于实际发生的速率。正如预期的那样，最长管道长度的拔管率低于其他两个长度的拔管率。然而，86.87米和189.28米的测试床之间的解堵率没有一个模式。还应注意的是，在547.73 m试验期间，过程控制参数随侵蚀过程而变化。虽然改变参数会影响解堵率，但平均解堵率仍然存在。请注意，磷酸盐塞数据包含在表4中，但这些试验是在没有预充电荷容器的情况下进行的。人们应该预料到，随着试验台长度的增加，侵蚀率会降低。当比较86.87 m和100.87 m时，除高岭土和磷酸盐岩栓外189.28米试验台。对于磷酸盐而言，其侵蚀/溶解过程仅仅取决于沉积在堵塞物表面上的波浪流体的体积，而不是波浪的冲击。对于这两种试验台长度，侵蚀率相似，因此这并不奇怪。高岭土塞确实具有稍高的侵蚀速率，这可能是由于高岭土混合物的剪切强度的可变性以及在制造时塞中保留多少空气。4.3. 减速器和膨胀节表5示出了在2010年12月31日的盲测范围测试中获得的G值。86.87 m管道（带和不带减速器）。结果发现，与未安装减速器的情况相比，安装减速器的试验导致放大系数降低了9e19%表5表明，对于相同的Td和Ts，更高的Pd导致更大的G. 减小Td而保持Ts和Pd不变，放大因子的损失增加。然而，在保持恒定Td和Pd的同时减小Ts会降低减速器的效果。见图9。驱动时间对不同管线长度下放大系数的影响（线图表示盲量程数据）。有和没有伸缩缝的解堵率是不可预测的（表4）。对于86.87 m的试验床，当去除接头时，高岭土的解堵率显著更高。对于较长的运行，情况并非如此在80S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84gH ×10V。V.¼0表4解堵速率（kg/h）。86.87米189.28米547.73米高岭土0.4520.6500.214磷酸9.510.316.332铝0.7040.4770.146高岭土（NEJ）0.90.2820.088*547.73 m试验，未安装伸缩缝，观察到极低的这部分是由于靠近波浪的高岭土塞的部分不容易侵蚀，但水确实设法渗透到塞中。5. 数值模拟在本节中，提出了一种基于特征线法[22]的数值方法，该方法可以预测端部有气穴的直一维管道中的压力和湍流这项工作的目的是预测拔管技术操作在管道任何位置产生的最大压力，以便可以对更长的管道进行参数测试，因为传导实验不会很困难。管道中非定常流体流动控制方程的数值解包括以下步骤：- 将偏微分方程（PDE）转化为常微分方程（ODE），- 常微分方程的积分产生有限差分方程，- 有限差分方程的数值解5.1. 控制方程下面给出的连续性方程和动量方程控制管道一个2HtVx1/2（一）F2个D. .见图10。不同管道长度下抽吸时间对放大系数的影响（线图表示盲量程数据）。式中，H为水力坡度线高程，a为声速，g为重力加速度，V为水流速度，f为摩擦系数，D为管道直径。这些方程构成一对准线性双曲型偏微分方程，其中流速和水力坡降线高程为自变量，沿管距离和时间为自变量。为了把这个偏微分方程转换成一个更好的表5减压器对压力放大的影响。Pd（kPa）Ts（s）Td（s）G带减速器G不带减速器变化百分比2001052.112.58百分之十七点九七2001162.342.70百分之十三点二二200962.402.69百分之十点九五200941.431.78百分之十九点四九1501051.812.04百分之十一点一四S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e8481¼ZZ轴Z轴1/4-¼. .=. .>=个¼¼1/4 - 1/2j¼þa d tþ d tþ 2 D V V¼0C.（5）-a d t d t 2 D V V ¼0C-;（6）F9¼9>>;速度从A到P的积分变为ODE中，使用未知乘数l将方程线性组合。利用A点和B点t0时V和H的初值，可以在极限AeP和BeP。它变得更容易集成一旦兼容性lhHgHiVVla2FV. V.0（2）方程乘以adt/g/dx/g，并引入面积x lttX G2002年D. . ¼管道写的方程在排放量的地方，x也是t的函数，则方程可以写为：dHdx1/4Hx1/4HtHPQPdHagAXPdQf2gDA2QjQjdx 1/4 0：（7）dtdtHA QAxA（三）dVdx沿特征的整合导致以下结果D t ¼VxdtVt如果在组合方程中，以下关系成立，dx/2代数方程一..dt<$g/l<$la/g，则可以写成H P-H AgAQ P-Q A2 gDA2Q A. 问：1/4;（八）ld HdV fV. V. 第1040章：四个人H -H阿QF-QQ . Q . ¼0：BBdtdt2个D. .PBgAPB2 gDA2..dx/dt1/4g/l 1/4a2/g的解给出了l的两个特定值，分别是l1 1/4g/a和l21/4-g/a，进而得到dx/dt1/4a。这表明波的位置变化与求解HP，这些方程可以写为：HP¼HA-BQP-QARQA jQA j;（九）通过波的传播速度a来改变时间。当将l1g/a和l2g/a的值代入上述方程时，则得到两对ODE，它们被分组并标识为C和C-，如下所示：gdHdV f. .>DxHP<$HBBQP-QBRQBjQBj;其中B a/gA.瞬态流体流动的解从t 0时H和Q的稳态条件开始。然后，在沿管道轴向的每个网格点处，沿着t 1/4D t找到未知的H和Q值，然后继续进行到t1/42Dt，直到期望的dta>;gdHdV f. .Dx5.3. 边界条件在这项研究中使用的计算模型是直如图1所示，管道具有一个封闭端，该封闭端具有一个在入口处连接到储液器的气穴。12个。管道的总长度和dt¼-a因为对于给定的管道a是常数，dx/dt a给出了如图2所示的xt平面中的直线。十一岁连接A到P和B到P的每一条直线都是特征线，沿着这些特征线从A和B传送信息以求解在新的时间水平上的点P在AeP和C上有效的C-这是有效的BeP一起使用，以解决未来P值。5.2.常微分方程的有限差分形式为了数值求解上述方程，将管道分成N个相等的段，每个段的长度为D×，如图1所示。十一岁腔的大小根据实验情况被拿来做比较在该问题的数值求解中，管道两端的条件起着重要的作用，它决定了所使用的边界条件。对于上游边界条件，拔出技术使用喷射泵和装料容器产生压力变化。数值代码中的这种效应被解释为水力坡度线Hr Hr（t）的时间相关函数。该时间依赖性曲线是从管道入口处记录的压力传感器测量值获得的一旦第一个节点处的H值已知，则Q值通过第一个节点处的C-的直接解来确定，QP^Hr-CMr=B其中C MHBBQ BRQ BQ在下游，空气腔被建模为集总质量，其中假设在任何时刻的压力在整个体积中是相同的。假设气体遵循可逆多变关系HAVn C，其中HA是绝对压头，等于表压压头加上大气压压头，Vn是气体体积，其中n是多变指数（此处使用1n1.4，1.2），C是常数。<<通过方程将气腔压力与容积的关系引入到数值求解中图十一岁 xt网格，用于管道流场的数值求解。见图12。 非定常管流问题的数值求解示意图。由于H和V依赖于x和t，如果假设已达到持续时间。82S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e84Σ¼×þ我分支我我HP.Va-DtQ21/4C：（10）没有考虑弯头的影响，因为文献[20，21]中报告称，对于刚性支撑的弯头，压力波的衰减可以忽略不计。数值模型中规定的总长度包括管道的所有组件，包括弯头、伸缩接头和透明PVC部分。在这项工作中使用的摩擦系数为f0.02。摩擦系数的值是从穆迪曲线中获得的，相对粗糙度为0.001，适用于7.62 cm钢管，7.62 10-3 cm的表面粗糙度，在整个表面上保持恒定动荡的政权末端的空气腔被建模为集中质量，其轴向位置固定在计算网格的最后一点从流体区域计算进入的湍流速率，并使用上面给出的多方关系来计算空气腔中的压力该压力值又被重新引入到流体区域作为端部边界条件。虽然在当前的研究中没有使用，但特征方法允许将局部元素的影响纳入模型。实现这一点的最简单的方法是通过在连接位置的每个时刻保持连续性方程，并假设连接处的压力相等，忽略较小的损失在串联连接元件的情况下，如渐缩管或具有不同结构特性（如厚度或粗糙度）的截面，假设连接处的流量和压力相等，则得出QP¼CP-CM/B1B2，从中也可以计算出HP如属分支连接，如接头和转弯，忽略微小损失的连续性方程遵循相同的过程，并获得公共水头HP的解，HP<$PnCP=Bi=Pn1=Bi对于具有n个5.4. 仿真结果图图13示出了用上述数值方法获得的沿管道的压力分布。在所有三条管道上收集的盲测数据用于获得作为时间函数的入口压力分布（P1），该分布用作数值模型中的上游边界条件。代码中仅对第一个抽吸-驱动-通风-抽吸循环进行了建模86.87 m管道的循环开始于10s的抽吸，然后将装料容器中的水向下驱动5 s，随后将管道排气直到20 kPa，并再次开始下一抽吸阶段10 s。初始空气腔长度取为3.96m。管道沿线不同位置的局部压力如图所示。 其中红点表示实验测量，黑线表示模拟结果。模拟结果超过预测的最大压力1%，并观察到峰值位置的偏移。对于189.28 m的情况，控制参数改为抽吸15 s，驱动7 s和通气20kPa。气腔尺寸增加至53.34 cm。模拟结果与沿管道的数据采集点处的传感器压力数据完全匹配。对于547.73 m的阻塞距离，驱动相位比189.28 m的情况长3 s。在空腔处数值计算的最大压力的超调量为40%。然而，发现用数字代码获得的压力值图十三. 盲人瞬时压力测量值的比较并与仿真结果进行了对比实验。S. Gokaltun等人 /工程科学与技术，国际期刊17（2014）73e8483在远离管道末端的位置，如P3和P5，与实验数据吻合良好6. 讨论在测试期间，进行了大量观察，这些观察有助于确定如何使用数据评估FWT在Hanford现场拔管操作中的有效性堵塞物附近驱动压力的放大似乎是由于管道中流体动量的增加 如果驱动压力/驱动时间太低，管道中的损失将使流体柱的动量降低到在空气腔中不会产生波的程度，并且驱动压力几乎没有放大。如果驱动压力/时间太高，则产生的出口压力可能容易超过安全阀的压力额定值因此，需要优化入口操作条件，以在系统中产生最适当的压力升高，从而安全和适当地操作该技术。在每个试验台的抽吸阶段，空气腔被拉回到相对膨胀的伸缩缝中。这表明，我们试验台中的两相湍流区域比汉福德跨站点线路上的区域更大，因此，在我们的试验台上，拔出波的能量损失可能更大。测试表明，在初始真空过程中，一些堵塞物被拉开，部分轻微向上游移动。由于高岭土和透明PVC之间的摩擦系数较低，高岭土堵塞对此特别敏感通常情况下，堵塞会分成两个或三个部分，最前面的部分会向上游移动大约一英尺。在某些情况下，在第一个驱动阶段之后，向上游移动的阻塞部分将移回其原始位置此外，测试还表明，环境条件可能对测试结果产生重大影响。在较长的试验台长度上，在管线上抽的相同的真空不一定产生相同的空腔尺寸。 这需要设备系统参数发生意外变化。环境对系统性能的影响可能需要进一步调查。7. 结论本研究的目的是评价NuVisions拔管技术在发生管道堵塞事件时在DOE Hanford输送线上的应用。使用三种管道长度和三种类型的堵塞进行实验测试。沿管道观察到入口压力的放大，这被认为是确定该技术在不超过现场压力限制的情况下可以使用的最大管道长度的关键。该技术能够在三个试验床长度处侵蚀三个堵塞物，结果表明，也可以实现位于更长长度处的堵塞物的侵蚀。然而，在这方面，能源部工程师认为这是最坏的情况，但这项技术是否能将一条5.79公里长的管道拔出，目前还没有定论。可能需要进行技术改进，以满足移动该距离水柱的能量要求。改进的真空泵能力和较大的装料容器在较大的管道长度下是必要的。该技术已被证明是有用的其他方案是DOE废物罐中储存的浆料的脉冲喷射混合[3]，以及使用反向分流器将液体废物进料到输送管线中[1]。此外，还发现本文提出的数值方法能够预测由该技术引起的管道中的压力变化，可用于通过过程模拟来优化过程控制参数的选择，从而可以提高准确预测最大压力和磨损速率的能力致谢作者感谢Nuvision Engi- neering的Erich Keszler提供了有关FWT操作的技术信息。 这项工作的资金由能源部环境管理办公室提供，赠款编号为DE-FG 01 - 05 EW 07033。引用[1] FluorescentSampler，1999年。号报告PNWD -3054，坦克集中区。[2] M.艾伦，K. Coupet，A. Ebadian，P. Gibbons，F. Erian，M. Rinker，缓解淤浆管道堵塞的现有技术评估，载于：第15届国际水力运输研讨会论文集，加拿大班夫，2002年，第100页。 477和495。[3] J. Bontha，N.陈文辉，以水蒸气为模拟物之脉冲式喷射混合与射频侦测取样系统之实验与最佳化，载于：废弃物管理'01会议论文集，台北市，2001年。[4] J. Coon和E.皮特里1985.振动法疏通浆体管道。 美国专利4，551，041。[5] M. Corradini，D.坎贝尔，M。德赖角Drummond III，P.海沃德湖霍布斯，E.拉霍达河罗杰斯湾，澳-地Sternberg，E. Zebroski，美国能源部场地储罐和垃圾箱中储存的高放射性废物的研究需求：环境管理科学计划，国家科学院出版社，华盛顿特区，2001年。[6] P. Garcia 1997.通过在污垢材料中引起振动来清洁柱的方法和设备以及柱。美国专利5，674，323。[7] R.加西亚1995.用产生冲击波和液体与注入空气混合的方法清洗热交换器管。美国专利5，423，917。[8] G. Golcar，J. Bontha，J.Darab，“1995 财 政 年 度 检 索 过 程 开 发 和 增 强 项 目 ：模 拟 开 发 技 术 任 务 进 度 报 告 ， 报 告 编 号 ：太平洋西北实验室，Richland ，WA，1997[9] R.亨特，T。Dillow，J. Parrott，J. Schryver，C. Weber，T. Welch，废物分解和运输化学：2000财年研究结