波流耦合作用下圍油欄攔油效果研究

侯婷婷，孫洪源，李宏偉

（1.山東交通學(xué)院 船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 2 642002；2.黃海造船有限公司，山東 威海 264200）

海上石油泄漏意外事故的頻發(fā)，導(dǎo)致海洋環(huán)境承受著難以預(yù)測的危險[1,2]。圍油欄作為一種應(yīng)用于海上溢油事故中抑制油層進(jìn)一步擴散，減少污染面積的有效工具[3-5]，在溢油圍控方面發(fā)揮重要作用。然而，受外部環(huán)境和圍油欄自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，圍油欄的攔油效果會降低[6,7]。

近年來，大部分的研究是針對圍油欄的水動力性能及攔油效果展開的。王欽政[8]采用數(shù)值模擬的方法對水面溢油擴散以及船舶近體圍油欄的圍油過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。李彬[9]選取了兩種典型圍油欄作為研究對象，在純水流條件進(jìn)行研究圍油欄的攔油失效情況，并提出不同約束條件下圍油欄調(diào)度決策優(yōu)化方案。Peiru 等[10]提出了一種新型可操控圍油欄布放裝置，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程布放或回收充氣式圍油欄，能夠有效地降低布放過程中的人員風(fēng)險。Yang 等[11,12]通過對不同材料剛度、裙體高度和浮重比的剛性和柔性圍油欄進(jìn)行實驗研究，分析了水流流速、圍油欄的浮子直徑等參數(shù)對柔性圍油欄運動響應(yīng)、有效吃水和有效干舷的影響。

本文在考慮波流耦合作用下，采用物理模型實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究圍油欄的運動響應(yīng)和攔油效果。通過將實驗和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對比，在波流耦合作用下，從圍油欄的運動特性、油膜形態(tài)變化和油損失量三個方面進(jìn)行分析，得出裙體高度、波流作用等因素與圍油欄攔油效果之間的關(guān)系以及導(dǎo)致圍油欄攔油失效的原因，為圍油欄的設(shè)計、選型提供合理、可靠的數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

本文的數(shù)值模擬是基于數(shù)值波浪水槽進(jìn)行的，其中，水和空氣均為不可壓縮，因此，在控制區(qū)域中流體運動的控制方程采用以速度和壓力為變量的連續(xù)性方程和動量守恒方程，該方程的微分表達(dá)形式為[8]：

式中：u，v，w 分別為x，y，z 三個方向的速度分量；ρ 為流體密度。

動量方程即Navier-Stokes 方程（簡稱N-S 方程），根據(jù)牛頓第二定律，N-S 方程可寫為：

式中:P 為壓強，Pa；V 為速度矢量，m/s；fi為i 方向作用力，N。

1.2 自由表面處理方法

采用經(jīng)典的流體體積法（VOF），通過確定每個單元的體積分?jǐn)?shù)來確定數(shù)值模型的自由表面，在該方法中，流體的體積分?jǐn)?shù)由速度 u 且滿足以下給出的輸運方程計算得到[13,14]：

式中α 表示流體的體積分?jǐn)?shù)：

α=0 為空氣；α=0～1 為自由液面；α=1 為水；

2 CFD建模與網(wǎng)格劃分

考慮數(shù)值模型參數(shù)和尺度的影響，數(shù)值波浪水槽的參數(shù)如下：水槽總長為24m，總寬為1m，總高度為4m，水深為2m。其中，EF 為自由液面，AB 為入口邊界，CD 為出口邊界，AC 為水槽上邊界，BD 為水槽下邊界，波流同向時的傳播方向為正x 方向，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值波浪水槽示意圖

在進(jìn)行數(shù)值模擬時，為了能夠在盡量短的時間內(nèi)得到最精確的計算結(jié)果，本文中數(shù)值模擬計算域的整體網(wǎng)格大小為0.04m，在自由液面上下2m 處進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密區(qū)域的網(wǎng)格大小為0.02m，共計網(wǎng)格數(shù)量為5.49×105，如圖2 所示為流體域的網(wǎng)格劃分情況。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分情況

3 實驗設(shè)置

3.1 圍油欄實驗?zāi)Ｐ?/h3>

每個圍油欄單體包括浮子、裙體和平衡配重3 個組成部分，如圖3 所示。依據(jù)圍油欄的相關(guān)規(guī)范要求，按照縮尺比λ=4，共設(shè)計制作了4 種圍油欄模型，圍油欄模型的具體設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 圍油欄模型設(shè)計參數(shù)表

圖3 圍油欄示意圖

3.2 實驗環(huán)境及條件

在中國石油大學(xué)（華東）進(jìn)行了此次實驗，圖4 為實驗采用的波流綜合實驗水槽，該設(shè)備可以滿足我們實驗所需要的水流和波浪需求。整個水槽的尺寸分別為長16m，寬1m，高1.4m，實驗水深為1m，如圖4 所示。整個水槽分為三個區(qū)域，水槽前側(cè)的產(chǎn)生波區(qū)，水槽中部的實驗區(qū)域，水槽后側(cè)的消波區(qū)域。實驗過程中，將圍油欄沿著水槽的寬度方向放置在水槽的中部，圍油欄的兩端采用系泊線固定。

圖4 波流綜合實驗水槽

根據(jù)圍油欄實物與模型之間的相似關(guān)系，表2 為設(shè)計的6 種不同的水流要素（水流流速的縮尺比為）。根據(jù)不同的波高、波周期，共設(shè)計了9 種不同的波浪要素，如表3 所示。

表2 設(shè)計水流要素表

表3 設(shè)計波浪要素表

4 結(jié)果分析

4.1 裙體高度對攔油效果的影響

在純水流條件下，水流速度為0.22m/s，溢油體積為0.5m3，溢油密度為790kg/m3，對裙體高度分別為A1、A2、A3、A4 的圍油欄的攔油過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在水流流速為0.22m/s 時，如圖5 所示，四種圍油欄均出現(xiàn)了攔油失效。對攔油失效后的油損失量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示，分析可知油損失量隨著裙體高度的增加而減小，當(dāng)裙體高度最大時，即A4型號的圍油欄，其油損失量最小，數(shù)值與實驗結(jié)果的相對誤差在7%以內(nèi)，數(shù)值與實驗結(jié)果相對吻合。這是由于在相同的水流流速下，裙體高度越大在圍油欄附近形成的低速區(qū)越大，即可以容納較多的油，因此，隨著裙體高度的增加圍油欄的攔油效果提升，圍油欄裙體高度這一參數(shù)是在進(jìn)行圍油欄選型時需要充分考慮的。

圖5 不同裙體高度的圍油欄攔油效果對比

圖6 不同裙體高度的圍油欄攔油失效后的油損失量對比

4.2 波流同向與波流逆向條件下攔油效果對比分析

初始溢油量為0.5m3，選取表4 所示的三個工況對比研究波流同向和波流逆向條件下圍油欄的攔油效果。

表4 波流逆向條件下的波浪參數(shù)

圖8 為波流同向和波流逆向條件下圍油欄的運動響應(yīng)，與波流同向相比，波流逆向條件下，圍油欄的運動響應(yīng)減弱，運動幅度減小，如圖7 所示。波流同向條件下，波流對油層的作用方向是相同的，加快了攔油失效，而波流逆向條件下逆向的波浪對攔油失效有阻礙作用，因此更有利于圍油欄對溢油的圍控，如圖7 所示。

圖7 波流同向和波流逆向條件下圍油欄攔油效果對比圖

圖8 波流同向和波流逆向條件下圍油欄運動響應(yīng)對比

5 結(jié)論

本文采用物理模型實驗和數(shù)值模擬的研究方法，分別分析裙體高度、波流方向、初始溢油量對圍油欄攔油效果產(chǎn)生的不同影響。

（1）隨著裙體深度的增加，圍油欄的攔油效果不斷提升。攔油失效后，油損失量隨著圍油欄裙體高度的增大而減小。

（2）波流同向條件下，油層的運動方向取決于波浪和水流的方向，而波流逆向條件下，逆向的波浪阻礙了油層向圍油欄前側(cè)的運動，波流逆向條件下更有利于攔油。

在此研究的基礎(chǔ)上，未來還可以研究雙體圍油欄，從攔油提升率等角度對雙體圍油欄與單體圍油欄進(jìn)行對比分析。