雙殼油船舷側破損原油泄漏過程三維數(shù)值模擬

李玉樂，吳文鋒，盧金樹，朱發(fā)新

(浙江海洋學院，浙江 舟山 316022)

雙殼油船舷側破損原油泄漏過程三維數(shù)值模擬

李玉樂，吳文鋒，盧金樹，朱發(fā)新

(浙江海洋學院，浙江 舟山 316022)

基于流體動力學理論，利用Fluent軟件搭建了雙殼油船油艙三維數(shù)值模型，運用VOF追蹤油水界面，并對整個泄漏過程進行階段劃分。通過對泄漏過程的描述，表明Fluent軟件能夠很好的模擬雙殼油船泄漏的過程。

三維數(shù)值模擬；雙殼油船；油品泄漏

雙殼油船溢油事故一直是社會各界關注的重點。國內外學者針對油船破艙水下泄漏問題做了大量研究，但對雙殼油船舷側破損原油泄漏過程進行三維數(shù)值模擬的研究相對較少。文獻[1]針對雙殼油船底部破艙水下原油泄漏過程進行了三維數(shù)值模擬，并對泄漏過程進行分階段分析。文獻[2-4]運用流體動力學原理針對靜止狀態(tài)的雙殼油船進行二維建模，并進行相關分析。文獻[5-6]運用伯努利方程研究不同船體結構的泄漏效應。為進一步研究雙殼油船舷側結構破損油品泄漏過程問題，文中將利用Fluent軟件搭建三維的雙殼油船模型，對整個泄漏過程進行階段劃分，并能夠實時監(jiān)測艙內油水運動特征，進而研究雙殼油船舷側破損油品泄漏的動態(tài)過程。

1 模型建立

1.1 數(shù)學模型

文中流體流動將采用連續(xù)性微分方程：

(1)

假定文中流體的密度和黏性均不隨泄漏過程發(fā)生變化，根據(jù)常密度常黏性流體動量守恒方程：

(2)

式中：u,v,w為x,y,z3個方向上的速度分量；F為質量力；p為壓強；ρ為流體密度；μ為動力學黏性系數(shù)；υ為流體速度；grad為梯度符號；為矢量場符號。

本文即將要模擬的雙殼油船的液貨泄漏中所涉及到的流體力學模型屬于三維非定常不可壓黏性流動，在數(shù)值計算過程中涉及的控制方程還有動量方程(N-S方程)等[7]，采用非耦合performance insight security for orade(PISO)算法[8]、標準k-ε湍流模型進行求解。采用VOF方法追蹤各交界面處的波動，且在計算時，忽略流體的黏性，僅考慮重力和壓力。

1.2 數(shù)值建模

本文的三維數(shù)值模型由海水、壓載艙、油艙及空氣組成。通過Ansys中的Mesh模塊對計算域進行六面體全結構化網(wǎng)格空間離散，并對泄漏區(qū)域進行網(wǎng)格加密；油艙上部為壓力進口，海水上方及雙殼間設為壓力出口。文中選取大渦數(shù)值模型，求解器為基于壓力求解器，時間步長設定為自適應；模型選取油品密度為750 kg/m3，黏度為3.5×10-5m2/s；水的密度為1.0×103kg/m3；黏度為1.0×10-6m2/s；空氣的密度為1.25 kg/m3,如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

2 分析模擬結果

通過Fluent軟件自帶的后處理器可獲得液貨流經(jīng)內外殼破口處時的質量流量-時間變化曲線(Q-t曲線)，如圖2、圖3所示。

圖2 內殼Q-t曲線

圖3 外殼Q-t曲線

泄漏初始時刻內殼破口處油品速度瞬間達到最大值，而外殼破口處油品速度為0，這說明泄漏初期油品和海水在壓力差作用下共同進入雙殼空間；隨著泄漏的持續(xù)，艙內油品泄漏速度逐漸減慢，此時雙殼空間充滿了油水；由于艙內外壓力差的緣故使得油品穿過雙殼空間持續(xù)泄漏到外部空間，而海水也將穿過雙殼空間進入油艙內；隨著油艙內剩余油量的減少，致使艙內外壓力差逐漸降為0，泄漏速度將不再發(fā)生劇烈變化。最終，艙內外壓力差降為0，整個泄漏過程至此結束。

3 泄漏階段分析

基于對數(shù)值計算結果的觀察，可將油品泄漏過程大致分為以下4個階段。

3.1 泄漏初期

泄漏初期為泄漏時間為0的時刻，此時泄漏尚未發(fā)生，如圖4所示。圖4中左下方為油品，右側為水體，中間部分及左上方為空氣。

圖4 t=0 s三相分布圖

3.2 油水交融

泄漏開始后，由于艙內壓力和海水壓力均高于雙殼空間的壓力，導致油與海水迅速且同時進入雙殼空間。此時，油水相互沖擊交融，此時的油水混合物以油包水或水包油及乳化油存在。由于密度差的緣故，會有少量的油沉積在壓載艙下部，且在雙殼空間上部發(fā)現(xiàn)有部分浮油存在，該階段的特點為油未進入海水，海水亦未進入艙內，如圖5所示。

圖5 t=0.5 s三相分布圖

3.3 油水置換

伴隨泄漏的持續(xù)，油水不斷沖擊，海水迅速充滿雙殼空間，而由于海水對內殼出口的占據(jù)導致油品泄漏速度下降。油艙內油品不斷泄漏導致艙內油位開始下降，海水將穿過雙殼空間進入油艙中，并在油艙底部沉降堆積，如圖6所示。

圖6 t=45 s三相分布圖

隨著海水不斷進入油艙，致使艙內壓力持續(xù)上升，進而導致油品泄漏速度逐漸加快。泄漏至雙殼空間的油品不斷上浮到海水上方，此時，海水仍源源不斷地穿過雙殼空間進入油艙，如圖7所示。

泄漏到一定階段時，油的泄漏速度將維持恒定，這是由于艙內壓力和雙殼空間壓力逐漸趨于一致。隨著泄漏持續(xù)進行，漸漸地油將代替海水充滿雙殼空間，如圖8所示。觀察圖8可知，此時雙殼空間中的油已抵達外殼坡口邊緣，但油仍未開始大量泄漏至海水中(此時海水上方顯示有部分油的存在，是由于油水交融階段部分油品沖出雙殼空間)，而海水在油艙內占據(jù)一定容積。

3.4 泄漏后期

經(jīng)歷完油水置換階段，油開始從雙殼空間穿過外殼，開始向海水中發(fā)生泄漏，由于油的密度比水小，泄漏致海水中的油將緩慢地持續(xù)上升至海水表面，并逐漸擴散為一層薄油膜，見圖9。隨著艙內外壓力逐漸趨于平衡，最終泄漏狀態(tài)如圖10所示。此時，艙內水面高度幾乎與內殼破口相持平。

圖7 t=300 s三相分布圖

圖8 t=720 s三相分布圖

圖9 t=1 200 s三相分布圖

圖10 泄漏結束時三相分布圖

4 結束語

通過數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)了雙殼油船舷側破損原油泄漏過程三維數(shù)值模擬，并對整個泄漏過程進行階段性劃分，說明利用Fluent能夠很好的對雙殼油船舷側破損泄漏進行三維數(shù)值模擬，為進一步利用數(shù)值模擬研究油船破艙泄漏問題奠定基礎。

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Based on the theory of fluid dynamics,the 3D model tanker is built with the software Fluent.The oil-water interface is tracked by the volume of fluid(VOF),with the leakage process divided into three phases.Based on the description of the process of leakage,it is indicated that the Fluent software can well simulate the process of double hull oil tanker's leakage.

3D numerical model;double hull oil tanker;oil leakage

浙江省自然科學基金資助項目(LQ16E090003；LQ14E090001)；浙江省教育廳項目(Y201328406)；舟山市科技局項目(2015C41009)；浙江海洋學院科研啟動基金資助項目(21185011614)

李玉樂(1977-)，男，安徽蒙城人，講師，碩士，研究方向為船舶安全與污染控制。

U661.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.011

2015-12-14