北極通航船舶溢油的運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)測(cè)與應(yīng)急處置

梁 霄, 李 巍, 林建國(guó)

(1. 大連海事大學(xué) 交通裝備與海洋工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026; 2. 大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116026; 3. 哈爾濱工程大學(xué) 水下智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

北極通航船舶溢油的運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)測(cè)與應(yīng)急處置

梁 霄1, 李 巍2,3, 林建國(guó)2

(1. 大連海事大學(xué) 交通裝備與海洋工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026; 2. 大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116026; 3. 哈爾濱工程大學(xué) 水下智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于北極海域脆弱的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn), 為了將溢油污染危害降至最低, 以 FLUENT為研究平臺(tái),建立多項(xiàng)因素共同作用下的船舶溢油模型, 分析溢油在有冰海域中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)果表明; 當(dāng)冰蓋存在時(shí)溢油會(huì)黏附于冰的下表面, 擴(kuò)散范圍小于相同溫度下自由海面上的油膜擴(kuò)散范圍; 部分溢油會(huì)被卷吸到冰蓋表面并繼續(xù)遷移, 加速了冰蓋的融化; 溢油點(diǎn)距離冰蓋較近時(shí)造成的污染范圍小于較遠(yuǎn)時(shí)的污染范圍。以此為基礎(chǔ)對(duì)冰區(qū)溢油防治措施的應(yīng)用進(jìn)行探討, 提出可在冰區(qū)采用圍油欄與積冰聯(lián)合圍控、在積冰較多海水中噴灑消油劑以及在距離北極大陸較遠(yuǎn)海域使用燃燒法等應(yīng)急措施來(lái)控制溢油污染, 有助于我國(guó)北極通航環(huán)境管理辦法的制定。

北極; 船舶通航; 溢油污染; 數(shù)值預(yù)測(cè)

北極地區(qū)常年低溫[1], 海洋生物抵御船舶污染的能力十分有限?，F(xiàn)有研究表明: 通過(guò)加拿大北極區(qū)域的西北通道是連接歐洲和亞洲的捷徑, 2007年夏季首次出現(xiàn)的無(wú)冰現(xiàn)象極大增加了未來(lái)北極區(qū)域貿(mào)易航線開通的可能性[2]。但是航線開通后, 船舶碰撞和不規(guī)范操作引起的溢油會(huì)給脆弱的北極生態(tài)帶來(lái)諸多污染和潛在干擾[3-4], 未得到及時(shí)處理的溢油會(huì)與北極生物接觸[5]而逐漸進(jìn)入生物鏈中[6-7], 甚至引起全球的環(huán)境變化[8]。因此, 研究船舶溢油對(duì)北極環(huán)境的影響并給出相應(yīng)的防治措施勢(shì)在必行。

有冰海域和無(wú)冰海域的環(huán)境條件具有明顯差異:有冰海域海水溫度接近或等于海水的冰點(diǎn), 溢油與大氣、海水和海冰發(fā)生作用, 其行為和歸宿變得更為復(fù)雜。然而近20年來(lái), 對(duì)于有冰海域溢油的預(yù)測(cè)研究卻較為少見。一些學(xué)者通過(guò)小規(guī)模溢油實(shí)驗(yàn)對(duì)溢油冰面擴(kuò)展半徑公式予以表達(dá)[9]。Keevil等[10]對(duì)溢油于冰的下表面擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。Ross等[11-12]通過(guò)可控試驗(yàn)對(duì)溢油在具有漂流冰的海水中的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。然而, 由于不同環(huán)境下的溢油是不同的, 關(guān)于石油的擴(kuò)展表述都是經(jīng)驗(yàn)公式, 并不能實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

本研究以 FLUENT為研究平臺(tái), 采用基于壓力解法的PISO算法解決非穩(wěn)態(tài)條件下壓力速度耦合問題, 采用流體體積法(VOF)解決非線性自由表面邊界追蹤問題, 利用FLUENT的用戶自定義函數(shù)(UDF)建立數(shù)值水域, 在此基礎(chǔ)上建立船舶溢油模型, 動(dòng)態(tài)模擬冰區(qū)溢油漂移擴(kuò)散變化的全過(guò)程, 從而分析溢油在有冰水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn), 以提出有效的冰區(qū)溢油污染防治措施。

1 模型與方法

1.1 控制方程

海洋中的海水總是處于不停的運(yùn)動(dòng)之中, 是多種力相互作用的結(jié)果。因此, 在海水運(yùn)動(dòng)中起支配作用的基本定律為質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。對(duì)于自由面流動(dòng)問題, 流體是不可壓縮的, 流體的黏性系數(shù)為常數(shù), 控制方程為N-S方程。

連續(xù)型方程:

動(dòng)量方程:

描述問題所使用的坐標(biāo)系是歐拉直角坐標(biāo)系,水平方向x軸, 右向?yàn)檎? 垂直方向y軸, 向上為正。u、w分別為x、y方向的速度分量,ρ是流體的密度,p是流體的壓力,v是流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε輸運(yùn)方程:

式中:Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn),C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù),Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

1.2 自由液面追蹤法

波浪水域水面屬于氣、水兩相分界面, 水下溢油屬于油、水、氣三相流, 適合采用VOF法。VOF引入體積分?jǐn)?shù)aq, 表示第q種物質(zhì)在該單元格內(nèi)所占有的體積,aq=0表示空,aq=1表示充滿, 1≥aq≥0表示有aq這么多體積的q種物質(zhì)。在該問題中,q=1、2、3分別表示氣、水和油。自由表面處aq應(yīng)滿足下列方程:

計(jì)算控制條件:

式中:為該單元平均速度。

具有恒勵(lì)磁極的交流電動(dòng)機(jī)尚有同步電動(dòng)機(jī)和電機(jī)本體之別，電機(jī)本體源自改革換向器的直流電動(dòng)機(jī)[1]，它與同步電動(dòng)機(jī)同樣都包括分別置于定子和轉(zhuǎn)子上的電樞和恒勵(lì)磁極兩大主要部件，但電機(jī)本體上必備由刷座(刷握盒)發(fā)展而來(lái)的磁極檢測(cè)單元[2]，同步電動(dòng)機(jī)與電機(jī)本體的區(qū)別就在于同步電動(dòng)機(jī)本無(wú)磁極檢測(cè)單元。廣義直流電動(dòng)機(jī)正是憑借電機(jī)本體上必備的磁極檢測(cè)單元，使他控變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)樽钥刈冾l器，亦即廣義直流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中皆遵循自控變頻運(yùn)行機(jī)制。

整個(gè)流場(chǎng)中不同部分的密度是不一樣的, 在兩種物質(zhì)混合的單元內(nèi), 采用如下算法計(jì)算其密度;

VOF模型通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積比來(lái)模擬多種不能混合的流體, 其方程為:

1.3 數(shù)學(xué)模型

對(duì)模型進(jìn)行假設(shè); 不考慮船舶搖晃對(duì)油艙液位的影響; 三相流中油、水和氣均不可壓縮且不互溶;溢油過(guò)程為絕熱過(guò)程, 不考慮相間的熱量交換; 海水中沒有碎冰存在。

船在某種外力作用下一側(cè)開裂, 裂口位于背向水流方向的一側(cè), 油艙為矩形, 其內(nèi)裝有密度為 985 kg/m3的柴油。計(jì)算區(qū)上部為空氣, 下部為水, 在右側(cè)區(qū)域有冰蓋存在, 如圖1所示。由于整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)橐?guī)則的矩形, 為了節(jié)省計(jì)算資源, 縮短計(jì)算時(shí)間,所有網(wǎng)格均采用矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

使用二維、非定常、分離隱式求解器求解, 在VOF模型中將相的數(shù)量設(shè)置為 3, 其中基本相為空氣, 第二相為水, 第三相為油。采用Geo-Reconstruct自由面重構(gòu)格式。在運(yùn)行環(huán)境中設(shè)置參考?jí)毫χ禐闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓, 并計(jì)重力影響, 設(shè)置工作流體密度, 即基本相空氣的密度為1.225 kg/m3。

圖1 數(shù)值水域示意圖Fig. 1 Schematic diagram of numerical water area

模型左端為速度入口, 右端為速度出口。初始時(shí)刻, 對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行初始化, 使自由面以上區(qū)域水的體積分?jǐn)?shù)為 0, 自由面以下區(qū)域水的體積分?jǐn)?shù)為1。水流速度方向與模型左側(cè)入口邊界垂直; 計(jì)算區(qū)域最上端邊界為壓力進(jìn)口, 方向與邊界垂直; 最下端邊界為壁面; 油艙裂口部分設(shè)置為內(nèi)部邊界, 其他部分設(shè)置為壁面邊界。采用基于壓力求解的PISO算法解決非穩(wěn)態(tài)條件下壓力速度的耦合問題。為了滿足計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的雙重需要, 數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取0.005 s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

石油從油艙溢出后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2~圖5所示,圖中黑色區(qū)域?yàn)榭諝? 淺黑色區(qū)域?yàn)樗? 灰色區(qū)域?yàn)橛? a圖溢油地點(diǎn)距冰蓋近, b圖距冰蓋遠(yuǎn)。

溢油初期, 在液面差的作用下, 石油從油艙底部裂口噴射而出, 形成射流或羽流進(jìn)入到外部海水中, 且在來(lái)流的作用下很快被沖散成油滴狀。油的密度小于海水密度, 因此, 油以油滴群的形式在浮力作用下向水面上升。由于海流的存在, 油在溢出后會(huì)被來(lái)流夾帶向海流傳播方向傾斜。當(dāng)溢油地點(diǎn)與冰蓋相距較近時(shí), 上升的油滴到達(dá)冰蓋邊緣后會(huì)被其阻擋, 黏附于冰的下表面, 如圖2(a)所示。而溢油點(diǎn)距離冰蓋較遠(yuǎn)時(shí), 短時(shí)間內(nèi)石油無(wú)法到達(dá)冰蓋區(qū)域,油滴會(huì)不受阻擋地上升到海水表面, 如圖2(b)所示。

圖2 10 s時(shí)船舶溢油三相物質(zhì)分布Fig. 2 Distribution of oil-water-air at 10 s

圖3 20 s時(shí)船舶溢油三相物質(zhì)分布Fig. 3 Distribution of oil-water-air at 20 s

另外, 由于油膜受到冰蓋的阻擋會(huì)在冰蓋邊緣形成渦流, 部分石油會(huì)被卷吸到冰蓋表面, 并在后續(xù)水流作用下在冰蓋表面遷移擴(kuò)散, 如圖3(a)所示。該模擬結(jié)果與 Comfort等在加拿大北極高緯度地區(qū)進(jìn)行的溢油實(shí)地實(shí)驗(yàn)得到的前期現(xiàn)象極為類似, 即當(dāng)溢油發(fā)生位置接近冰蓋區(qū)時(shí), 部分石油會(huì)遷移到冰蓋表面, 隨著時(shí)間的推移油會(huì)被雪吸收或被風(fēng)帶走, 從而使冰表面的石油減少甚至消失。這一現(xiàn)象對(duì)北極環(huán)境會(huì)產(chǎn)生重大影響, 即石油會(huì)縮短冰蓋融化的時(shí)間, 增加冰蓋融化的幾率, 當(dāng)冰蓋上有油存在時(shí), 其太陽(yáng)光的吸收率比普通的冰要高出 30%, 使冰的融化時(shí)間提前7~21天。

圖4 40 s時(shí)船舶溢油三相物質(zhì)分布Fig. 4 Distribution of oil-water-air at 40 s

如圖4(b)所示, 溢油持續(xù)一段時(shí)間后, 部分石油會(huì)受到海流沖刷與水混合成各種粒徑的油滴而擴(kuò)散于不同深度水中。北極海域的溫度較其他海域低, 油與水間的黏滯阻力較大, 導(dǎo)致溢油的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)速度較慢。而且, 由于海水溫度低, 甚至接近零度, 在完全開敞的自由表面情況下明顯存在的溢油離散作用在冰區(qū)溢油中并不明顯, 水面處容易形成厚的油膜。另外, 距離冰蓋較近的溢油和距離冰蓋較遠(yuǎn)的溢油產(chǎn)生的油膜除上述特點(diǎn)外還具有其他明顯的差別。如圖4(a)所示, 泄漏點(diǎn)距離冰蓋較近的溢油產(chǎn)生的油膜會(huì)漂浮于冰蓋以下, 由于冰蓋下表面的摩擦阻礙作用, 油膜遷移速度較之自由海面的油膜遷移速度要小, 因此其油膜面積小于泄漏點(diǎn)距離冰蓋較遠(yuǎn)的溢油產(chǎn)生的油膜面積。

圖5 100 s時(shí)船舶溢油三相物質(zhì)分布Fig. 5 Distribution of oil-water-air at 100 s

如圖 5(a)所示, 冰蓋下面的油滴上升到冰蓋的底面之后會(huì)因受到冰層的阻擋而逐漸聚集, 這一數(shù)值模擬的結(jié)果與Greene等[13]應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的有冰水槽對(duì)溢油在冰的下表面的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀察得到的現(xiàn)象相同; 石油在冰面以下形成了一定厚度的油膜。此時(shí), 由于油艙內(nèi)外的壓力差降為 0, 艙內(nèi)石油不再溢出, 已經(jīng)溢出的石油以油膜的形式在水流作用下逐漸遷移擴(kuò)散。如圖5(b)所示, 當(dāng)溢油點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí), 溢出的石油抵達(dá)冰蓋邊緣后受到了冰蓋的阻礙, 出現(xiàn)了與圖 3(a)類似的現(xiàn)象; 在渦流的作用下一部分油膜被沖刷到冰蓋表面, 隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)風(fēng)化等現(xiàn)象而逐漸消失。但是, 大部分溢油仍會(huì)遷移至冰蓋以下順?biāo)當(dāng)U散, 由于不與空氣接觸, 溢油風(fēng)化作用幾乎不存在, 這就需要人為采取補(bǔ)救措施來(lái)清理溢油。將圖5(b)與圖3(a)進(jìn)行對(duì)比分析可知, 前者所示的現(xiàn)象是油艙內(nèi)石油全部溢出的結(jié)果, 比之后者其溢油量要大, 因此在冰蓋邊緣形成的油膜厚度 0.263 m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者的0.072 m, 更利于溢油的清理。

3 冰區(qū)溢油污染應(yīng)急方法

基于北極區(qū)域的溢油特點(diǎn), 溢油應(yīng)急方法有諸多不同之處。在普通海域, 溢油后最常采用的應(yīng)急措施是用圍油欄將油膜圍住, 以免造成大范圍污染。在有冰海域, 當(dāng)溢油現(xiàn)場(chǎng)積冰多并足以形成天然屏障時(shí), 可以考慮利用積冰圍控溢油, 當(dāng)溢油黏度較大時(shí)采用油拖網(wǎng), 當(dāng)溢油黏度較小時(shí)采用吸油拖欄將溢油驅(qū)趕到天然屏障內(nèi)予以清除, 如圖 5(b)所示即為其中一種情況。由于冰蓋和高密度積冰的存在, 在冰蓋下會(huì)存在相當(dāng)厚度的油膜, 如圖5(a)所示, 此時(shí)可以利用網(wǎng)目適宜的拖網(wǎng)進(jìn)行拖曳圍控。

其次, 可選用化學(xué)消油劑。在普通海域, 消油劑經(jīng)噴撒和攪拌后, 滲過(guò)溢油而接觸油水分界面, 就能將水中浮油分成微小顆粒, 易被微生物降解, 在水面油膜較薄的情況下能立即消除浮油外觀特征。在有冰海域中, 由于浮冰的相互作用有助于分散劑的分散, 其攪拌過(guò)程較之普通海域要更為便捷。但是經(jīng)過(guò)分散劑處理的溢油, 其毒性大, 且形成的油塊會(huì)沉降到海底難以清除, 對(duì)北極生態(tài)系統(tǒng)是一種較大的考驗(yàn)。因此, 如要將分散劑應(yīng)用于冰區(qū)溢油應(yīng)急反應(yīng), 還需要對(duì)分散劑、油以及積冰這三者之間的相互作用和分散劑對(duì)生物的毒性作用進(jìn)行更深入的研究。

再次, 還有一種方法為燃燒法[14], 可以在短時(shí)間內(nèi)處理大量溢油, 處理費(fèi)用低。但先決條件一是及時(shí), 二是油膜至少要3 mm厚。而且, 在冰區(qū)海域應(yīng)用該法要考慮到燃燒產(chǎn)物對(duì)北極生物生長(zhǎng)和繁殖的影響, 以及燃燒時(shí)產(chǎn)生的濃煙對(duì)大氣的污染, 因此只能在離北極大陸相當(dāng)遠(yuǎn)的公海才使用此法。另外,燃燒殘留物也應(yīng)周密的考慮: 在碎冰條件下燃燒的殘留物大約為2 mm厚, 比較厚的重油膜燃燒并冷卻后殘留物很容易沉降, 而輕質(zhì)油燃燒殘留物則不太容易下沉, 通常漂浮在水面上[15]。可用大型濾網(wǎng)、羅網(wǎng)或一般手動(dòng)工具回收漂浮殘留物, 也可使用高黏度吸油氈或高黏度撇油器進(jìn)行處理。對(duì)于易下沉的殘留物應(yīng)盡快采取水下拖曳等方法予以清除。

最后, 由于普通海域的海洋微生物具有數(shù)量大、種類多、適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣等特點(diǎn), 用細(xì)菌來(lái)清除海水表面的油膜和海水中溶解的石油烴具有物理、化學(xué)方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是, 在有冰海域, 生物對(duì)石油類物質(zhì)降解能力有限, 耗時(shí)較長(zhǎng), 且易向生物鏈中引入毒性物質(zhì)。因此, 需要明確石油對(duì)北極生物的作用后才能應(yīng)用。

在以上四種溢油處理技術(shù)中, 機(jī)械回收是最基本、最普遍的方法, 其靈活性強(qiáng), 溢油回收率高, 不存在二次污染, 是冰區(qū)溢油事故處理的首選方法?；瘜W(xué)處理方法可以在惡劣的海況下使用。相比之下, 燃燒法因?yàn)槌杀镜汀⒕哂泻芨叩拈_發(fā)價(jià)值, 適用于距離北極大陸較遠(yuǎn)的公海。生物降解技術(shù)一般應(yīng)用在溢油清除技術(shù)的第二步, 在一些特定的環(huán)境條件下適用。

4 結(jié)論

對(duì)北極航線開通后船舶溢油在有冰海域的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和應(yīng)急處置進(jìn)行了探討, 得到如下結(jié)論;

(1) 溢油點(diǎn)距離冰蓋區(qū)域較近的情況下, 上升的油滴會(huì)黏附于冰的下表面, 擴(kuò)散距離明顯小于相同溫度下自由海面上的油膜擴(kuò)散距離; 向外擴(kuò)散的部分油膜會(huì)被卷吸到冰蓋表面, 并繼續(xù)遷移擴(kuò)散;其油膜面積小于距離冰蓋較遠(yuǎn)的溢油產(chǎn)生的油膜面積。

(2) 溢油點(diǎn)距離冰蓋區(qū)域較遠(yuǎn)的情況下, 溢油初期油滴會(huì)上升到自由海面, 其后受到冰蓋邊緣阻擋一部分遷移到冰的上表面, 另一部分形成較厚的油膜浮于冰的下表面, 其厚度大于距離冰蓋較近的溢油形成的油膜厚度, 利于溢油的回收。該數(shù)值模擬結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符, 提出的計(jì)算方法在計(jì)算結(jié)果上符合實(shí)際。

(3) 基于數(shù)值模擬分析得到的冰區(qū)溢油特點(diǎn),提出可在冰區(qū)采用圍油欄與積冰圍控、在積冰較多海水中噴灑消油劑以及在距離北極大陸較遠(yuǎn)的海域使用燃燒法等溢油應(yīng)急措施, 來(lái)控制船舶溢油污染對(duì)北極生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害。

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Forecast and emergency response of oil spill on the arctic shipping route

LIANG Xiao1, LI Wei2,3, LIN Jian-guo2
(1. College of Traffic Equipment and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. College of Environmental Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;3. Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Oct., 27, 2010

arctic; shipping rout; oil spill pollution; simulation forecast

Based on the fragile ecosystem of arctic environment, the oil spill pollution in arctic shipping route was discussed. The simulation of oil spill in ice waters was built by FLUENT. The movement characteristics of oil spill in ice waters were analyzed. The results showed that the oil adhered to the ice lower surface easily, while its diffusion area was less than that on the free sea surface at the same temperature; some oil was entrained to the ice upper surface and was further transported, which accelerated the ice melting. The pollution area caused by oil spill near the ice sheet was less than that caused by oil spill far away from the ice sheet. In view of the data, the prevention and treatment methods of oil spill were discussed. The containing combination of boom and pack ice, spraying oil dispersant in icy waters and burning oil in the sea far away from arctic continent were suggested for the arctic sea waters, which could help China to establish the environment management methods for fragile ecosystem.

X55

A

1000-3096(2011)05-0061-05

2010-10-27;

2011-03-08

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011QN052)

梁霄(1980-), 男, 漢族, 遼寧大連人, 講師, 博士, 從事水動(dòng)力學(xué)研究, 電話: 18940816386, E-mail: liangxiao19801012@126.com

康亦兼)