波流作用下浮子式圍油欄的運(yùn)動響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

李紹武，鄭德梅，時 洋，陳漢寶

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

波流作用下浮子式圍油欄的運(yùn)動響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

李紹武1，鄭德梅1，時 洋1，陳漢寶2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

海上溢油會對海洋生態(tài)環(huán)境造成極大危害。圍油欄是一種能夠有效地防止溢油擴(kuò)散、縮小溢油面積、配合回收的簡易而有效的工具。由于海洋波、流環(huán)境復(fù)雜，針對不同海況選擇圍油欄型號時，預(yù)先估算圍油欄在波、流作用下的運(yùn)動響應(yīng)十分必要。本試驗(yàn)通過水槽實(shí)驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性的圍油欄對波、流條件的運(yùn)動響應(yīng)，分析圍油欄的最小吃水及最小干舷高度與圍油欄的尺度、波流要素間的關(guān)系。

海上溢油；圍油欄；運(yùn)動響應(yīng)；最小干舷高度；最小吃水；物模實(shí)驗(yàn)

海上溢油是最主要海洋污染之一［1］。圍油欄又稱為油障，是一種用于阻止溢油擴(kuò)散、縮小溢油面積、便于溢油清除及保護(hù)水域的簡易而有效的設(shè)備，近幾十年得到廣泛應(yīng)用［2］。圍油欄一般由浮體（或稱浮子）、屏體（或稱裙體）和配重三部分組成。浮體用于保持圍油欄的懸浮狀態(tài)，屏體在水下形成阻擋油污溢出的屏障，配重則垂于裙體底部，起保持圍油欄垂向平衡作用［3］。

圍油欄受到風(fēng)、浪、流作用其圍油效果將顯著降低。在風(fēng)、浪、流作用下，圍油欄主要有五種失效形式：（1）油層流失失效：大量中等粘度溢油聚集在欄前，油層厚度超過圍油欄吃水深度，導(dǎo)致油層從底部流失而失效；（2）夾帶失效：由于油水界面不穩(wěn)定，頭波處的油滴被水流從油層中撕扯下來發(fā)生失效；（3）越過失效：圍油欄干舷高度不足時，油層越過圍油欄頂部發(fā)生失效；（4）淹沒失效：當(dāng)圍油欄浮子未提供充足浮力時，由于水流流速或拖帶流速較大，圍油欄淹沒而失效；（5）平躺失效：極端情況下當(dāng)風(fēng)、流逆向且流速較大時，圍油欄平躺，完全失效［4］。上述五種失效模式不僅與波流要素有關(guān)，還與圍油欄幾何尺寸及浮重比等結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系密切。

本文擬通過圍油欄波流水槽實(shí)驗(yàn)，探討不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性的圍油欄在波流作用下的運(yùn)動響應(yīng)，分析圍油欄攔油效果與波流環(huán)境參數(shù)、圍油欄自身設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，為圍油欄進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 圍油欄主要尺度和特性

圖1為剛性、柔性圍油欄在波流作用下的運(yùn)動姿態(tài)及圍油欄幾何尺度示意圖，其中，r和h分別為浮子半徑和平衡狀態(tài)下裙體高度；F0和D0分別為初始干舷高度和初始吃水；Fi和Di分別為瞬時干舷高度和瞬時吃水；θi和φi分別為浮子轉(zhuǎn)動量和裙體轉(zhuǎn)動量［5］。

圍油欄的特性主要包括剛性與柔性。剛性圍油欄浮子與裙體剛性連接，裙體無變形，柔性圍油欄浮子與裙體柔性連接，裙體有變形［6］。

圖1 圍油欄主要結(jié)構(gòu)特性定義示意圖Fig.1 Sketch of the key structures of oil boom

2 圍油欄運(yùn)動響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

該實(shí)驗(yàn)在天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院室外水槽進(jìn)行，水槽長45.0 m，寬0.5 m，深1.1 m，波流水槽兩側(cè)為透明玻璃，水槽采用推波板式造波系統(tǒng)，兩端有消波設(shè)施，水槽配有雙向造流系統(tǒng)。圍油欄模型放置在水槽中部，單側(cè)雙線錨定，錨線采用尼龍長絲合股捻線，長1.5 m。采用普通監(jiān)控?cái)z像一體機(jī)，記錄圍油欄控制運(yùn)動過程（圖2），運(yùn)用分析程序從視頻中提取圍油欄控制點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。

根據(jù)不同的浮子直徑、裙體長度、浮重比共設(shè)計(jì)制作了18種圍油欄裝置［7］（表1）。

2.2 試驗(yàn)條件及組次

試驗(yàn)采用規(guī)則波，試驗(yàn)水深0.80 m，各組次波浪要素見表2，水流要素見表3。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 最小吃水

（1）裙體高度對最小吃水的影響。圍油欄的吃水表征其工作效果，吃水越深，圍油欄越不易失效。靜態(tài)時，圍油欄吃水主要取決于浮重比和裙體高度，但是在波、流作用下，吃水將受波、流條件的影響。圖3給出了3種浮重比的圍油欄，其最小吃水隨水流速度變化的情況，并將有無波浪結(jié)果進(jìn)行了對比，可以看出，吃水隨流速增大而減小，且有波浪情況下，吃水更小，表明流速、波浪使得圍油欄更易失效。由圖3還可以看出，浮重比較小時，裙底高度越大，圍油欄的最小吃水也越大；但在浮重比較大時，出現(xiàn)了在水流速度增大到一定值時，裙體高度較大的圍油欄的最小吃水反而比裙體高度較小的圍油欄的最小吃水小，這種現(xiàn)象在純水流和波流共同情況下都存在，表明當(dāng)流速較大時，大裙體高度圍油欄的圍油效果反而不及小裙體高度圍油欄。

（2）浮重比對最小吃水的影響。圖4給出了3種浮重比圍油欄，其最小吃水隨著水流速度的變化情況，可以看出，浮重比越小，最小吃水越大。隨著水流速度的增大，浮重比較大的圍油欄的最小吃水相對于浮重較小的圍油欄減小的快。不同裙體高度的圍油欄呈現(xiàn)相似規(guī)律。

圖2 物理試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of the experimental set-up

表1 圍油欄設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Design parameters of the model oil boom

（3）波高對最小吃水的影響。圖5給出了3種浮重比的剛性和柔性圍油欄，其最小吃水在不同波高條件下隨水流速度的變化情況。無論是剛性、柔性圍油欄，還是在不同浮重比條件下，最小吃水均隨波高的增大而減小。在浮重比較大時，柔性圍油欄的最小吃水比剛性圍油欄的最小吃水小；隨著浮重比的減小，柔圍油欄與剛性圍油欄之間的差異逐漸減小。

（4）波周期對最小吃水的影響。圖6給出了3種浮重比的剛性和柔性圍油欄，其最小吃水在不同波周期條件下隨著水流速度的變化情況。無論是剛性、柔性圍油欄，還是在不同浮重比條件下，最小吃水均隨著波周期的增大而增大。與波高對最小吃水的影響類似，在浮重比較大時，柔性圍油欄的最小吃水比剛性圍油欄的最小吃水?。浑S著浮重比的減小，柔圍油欄與剛性圍油欄之間的差異逐漸減小。

表2 設(shè)計(jì)波浪要素表Tab.2 Waves parameters of the experiment

表3 設(shè)計(jì)水流要素表Tab.3 Currents parameters of the experiment

圖3 裙體高度對最小吃水的影響（a、b、c為無浪條件下；d、e、f為W5波浪條件下）Fig.3 Minimum draft vs.skirt height of the model oil boom

（5）波陡對最小吃水的影響。圖7給出了3種浮重比圍油欄，在不同波要素但相同波陡條件下（波陡H/L= 0.016）最小吃水隨著水流速度的變化情況。在相同波陡條件下，幾何參數(shù)不同的圍油欄或者不同浮重比的圍油欄的最小吃水隨水流流速的變化情況趨于一樣。圖8則給出了不同波陡條件下隨著水流速度的增加，最小吃水基本呈現(xiàn)遞減趨勢；幾何參數(shù)不同的圍油欄或浮重比不同的圍油欄在不同波陡條件下的變化趨勢可以得出，隨著波陡的減小，圍油欄的最小吃水呈現(xiàn)遞減的趨勢。由此表明可以用波陡一個參數(shù)來統(tǒng)一描述波浪要素對圍油欄吃水的影響。

圖5 波高對最小吃水的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3剛性圍油欄；d、e、f分別為M4、M5、M6柔性圍油欄）Fig.5 Minimum draft vs.wave height for four current velocities

圖6 波周期對最小吃水的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3剛性圍油欄；d、e、f分別為M4、M5、M6柔性圍油欄）Fig.6 Minimum draft vs.wave period for four current velocities

圖7 相同波陡對最小吃水的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3圍油欄；d、e、f分別為M10、M11、M12圍油欄）Fig.7 Minimum draft vs.the sameH/Lratio

圖8 不同波陡對最小吃水的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3圍油欄；d、e、f分別為M10、M11、M12圍油欄）Fig.8 Minimum draft vs.the differentH/Lratio

圖9 浮子直徑對最小干舷高度的影響Fig.9 Minimum freeboard height vs.floater diameter

圖10 波高對最小干舷高度的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3剛性圍油欄；d、e、f分別為M4、M5、M6柔性圍油欄）Fig.10 Minimum freeboard height vs.wave height（a，b，c：M1，M2，M3.d，e，f：M4，M5，M6）

2.3.2 最小干舷高度

（1）浮子直徑對最小干舷高度的影響。圖9給出了不同浮子直徑圍油欄在3種不同浮重比下，最小干舷高度隨著水流速度的變化情況。不同浮子直徑的圍油欄的最小干舷高度均隨水流速度的增大而減小。在相同波流要素下，柔性圍油欄的最小干舷高度均比剛性圍油欄的最小干舷高度大。

圖11 波周期對最小干舷高度的影響（a、b、c分別為M1、M2、M3剛性圍油欄；d、e、f分別為M4、M5、M6柔性圍油欄）Fig.11 Minimum freeboard height vs.wave period（a，b，c：M1，M2，M3.d，e，f：M4，M5，M6）

（2）波高對最小干舷高度的影響。圖10給出了3種不同浮重比剛性和柔性圍油欄，其最小干舷高度在不同波高條件下隨著水流速度的變化情況。無論是剛性、柔性圍油欄，還是在不同浮重比條件下，最小干舷高度總是隨著波高的增大而減小。在相同波流要素下，柔性圍油欄的最小干舷高度總是比剛性圍油欄的最小干舷高度大；且在無浪的條件下，隨著水流速度的增大，柔性圍油欄的最小干舷高度有增大的趨勢，其原因是由于實(shí)驗(yàn)圍油欄在水流速度較大的情況下，由于圍油欄的傾斜，圍油欄受到上舉力的作用，導(dǎo)致圍油欄的干舷高度相對變大了。

（3）波周期對最小干舷高度的影響。圖11給出了3種不同浮重比剛性和柔性圍油欄，其最小干舷高度在不同波周期條件下隨著水流速度的變化情況。無論是剛性、柔性圍油欄，還是在不同浮重比條件下，最小干舷高度總是隨著波周期的增大而增大。在相同波流要素下，柔性圍油欄的最小干舷高度總是比剛性圍油欄的最小干舷高度大。

3 結(jié)論

基于波流水槽試驗(yàn)，對浮子式圍油欄在波流作用下的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)根據(jù)18種不同的模型圍油欄、7種不同波浪要素及7種不同水流速度，共開展了1 008組試驗(yàn)組次。研究結(jié)果表明，圍油欄的最小吃水、最小干舷高度與圍油欄的設(shè)計(jì)要素、波流要素具有密切關(guān)系。圍油欄裙體高度并不一定是越深越好，在波流要素較大且圍油欄浮重比較大時，裙體高度小的圍油欄其最小吃水反而大。波高越大、波周期越小或者水流速度越大時，圍油欄的最小吃水都會變??；同時可以用波陡來統(tǒng)一描述波高、波周期對圍油欄吃水深度的影響。波高越大、波周期越小或者水流速度越大時，圍油欄的最小干舷高度都會變??；但在水流速度較大的情況下，由于圍油欄的傾斜，圍油欄受到上舉力的作用，導(dǎo)致圍油欄的干舷高度相對變大。剛性與柔性圍油欄在波流作用下的運(yùn)動效應(yīng)具有明顯的差異，所以在圍油欄研究中應(yīng)該對兩者區(qū)別對待。

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Experimental studies on motion response of floating oil booms under waves and currents

LI Shao-wu1,ZHENG De-mei1,SHI Yang1,CHEN Han-bao2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin300456,China）

Oil spill will cause extensive environment damage to the marine ecosystem.Oil boom is a simple yet effective tool that can effectively prevent spread of oil spill,reduce the area of oil spill,and aid in the recovery of oil.Due to the complexity of the waves and currents,it is essential to estimate motion response of the boom in waves and currents when choosing the type of the boom according to different sea situation.In this paper,the motion response of boom with different features to different waves and currents was investigated through flume tests,and the effect of waves and currents on the minimum effective boom freeboard and drafts was analyzed.

oil spill;oil boom;motion response;minimum effective boom freeboard;minimum effective boom drafts;physical model experiment

U 656.2；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0020-06

2016-09-30；

2016-10-31

國際科技合作項(xiàng)目（2015DFA90250）

李紹武（1962-），男，山東萊州人，教授，主要從事海岸動力學(xué)及岸灘演變、海岸建筑物波浪數(shù)值模型研究。

Biography：LI Shao-wu（1962-），male，professor.