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.山東交通學院 船舶與港口工程學院，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，導致海洋環境承受著難以預測的危險[1,2]。圍油欄作為一種應用于海上溢油事故中抑制油層進一步擴散，減少污染面積的有效工具[3-5]，在溢油圍控方面發揮重要作用。然而，受外部環境和圍油欄自身結構參數的影響，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行了數值模擬研究。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度決策優化方案。Peiru 等[10]提出了一種新型可操控圍油欄布放裝置，可以實現遠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行實驗研究，分析了水流流速、圍油欄的浮子直徑等參數對柔性圍油欄運動響應、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值模擬相結合的方法研究圍油欄的運動響應和攔油效果。通過將實驗和數值結果進行對比，在波流耦合作用下，從圍油欄的運動特性、油膜形態變化和油損失量三個方面進行分析，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系以及導致圍油欄攔油失效的原因，為圍油欄的設計、選型提供合理、可靠的數據參考。

1 數學模型

1.1 控制方程

本文的數值模擬是基于數值波浪水槽進行的，其中，水和空氣均為不可壓縮，因此，在控制區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性方程和動量守恒方程，該方程的微分表達形式為[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

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

式中α 表示流體的體積分數：

α=0 為空氣；α=0～1 為自由液面；α=1 為水；

2 CFD建模與網格劃分

考慮數值模型參數和尺度的影響，數值波浪水槽的參數如下：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 數值波浪水槽示意圖

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

圖2 流體域網格劃分情況

3 實驗設置

3.1 圍油欄實驗模型

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。依據圍油欄的相關規范要求，按照縮尺比λ=4，共設計制作了4 種圍油欄模型，圍油欄模型的具體設計參數如表1 所示。

表1 圍油欄模型設計參數表

圖3 圍油欄示意圖

3.2 實驗環境及條件

在中國石油大學（華東）進行了此次實驗，圖4 為實驗采用的波流綜合實驗水槽，該設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域，水槽前側的產生波區，水槽中部的實驗區域，水槽后側的消波區域。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

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

表2 設計水流要素表

表3 設計波浪要素表

4 結果分析

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行數值模擬。結果表明，在水流流速為0.22m/s 時，如圖5 所示，四種圍油欄均出現了攔油失效。對攔油失效后的油損失量進行監測，監測結果如圖6 所示，分析可知油損失量隨著裙體高度的增加而減小，當裙體高度最大時，即A4型號的圍油欄，其油損失量最小，數值與實驗結果的相對誤差在7%以內，數值與實驗結果相對吻合。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是在進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

圖8 為波流同向和波流逆向條件下圍油欄的運動響應，與波流同向相比，波流逆向條件下，圍油欄的運動響應減弱，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對比

5 結論

本文采用物理模型實驗和數值模擬的研究方法，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的運動，波流逆向條件下更有利于攔油。

在此研究的基礎上，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行對比分析。