波流耦合作用下围油栏拦油效果研究

侯婷婷，孙洪源，李宏伟

（1.山东交通学院 船舶与港口工程学院，山东 威海 2 642002；2.黄海造船有限公司，山东 威海 264200）

海上石油泄漏意外事故的频发，导致海洋环境承受着难以预测的危险[1,2]。围油栏作为一种应用于海上溢油事故中抑制油层进一步扩散，减少污染面积的有效工具[3-5]，在溢油围控方面发挥重要作用。然而，受外部环境和围油栏自身结构参数的影响，围油栏的拦油效果会降低[6,7]。

近年来，大部分的研究是针对围油栏的水动力性能及拦油效果展开的。王钦政[8]采用数值模拟的方法对水面溢油扩散以及船舶近体围油栏的围油过程进行了数值模拟研究。李彬[9]选取了两种典型围油栏作为研究对象，在纯水流条件进行研究围油栏的拦油失效情况，并提出不同约束条件下围油栏调度决策优化方案。Peiru 等[10]提出了一种新型可操控围油栏布放装置，可以实现远程布放或回收充气式围油栏，能够有效地降低布放过程中的人员风险。Yang 等[11,12]通过对不同材料刚度、裙体高度和浮重比的刚性和柔性围油栏进行实验研究，分析了水流流速、围油栏的浮子直径等参数对柔性围油栏运动响应、有效吃水和有效干舷的影响。

本文在考虑波流耦合作用下，采用物理模型实验和数值模拟相结合的方法研究围油栏的运动响应和拦油效果。通过将实验和数值结果进行对比，在波流耦合作用下，从围油栏的运动特性、油膜形态变化和油损失量三个方面进行分析，得出裙体高度、波流作用等因素与围油栏拦油效果之间的关系以及导致围油栏拦油失效的原因，为围油栏的设计、选型提供合理、可靠的数据参考。

1 数学模型

1.1 控制方程

本文的数值模拟是基于数值波浪水槽进行的，其中，水和空气均为不可压缩，因此，在控制区域中流体运动的控制方程采用以速度和压力为变量的连续性方程和动量守恒方程，该方程的微分表达形式为[8]：

式中：u，v，w 分别为x，y，z 三个方向的速度分量；ρ 为流体密度。

动量方程即Navier-Stokes 方程（简称N-S 方程），根据牛顿第二定律，N-S 方程可写为：

式中:P 为压强，Pa；V 为速度矢量，m/s；fi为i 方向作用力，N。

1.2 自由表面处理方法

采用经典的流体体积法（VOF），通过确定每个单元的体积分数来确定数值模型的自由表面，在该方法中，流体的体积分数由速度 u 且满足以下给出的输运方程计算得到[13,14]：

式中α 表示流体的体积分数：

α=0 为空气；α=0～1 为自由液面；α=1 为水；

2 CFD建模与网格划分

考虑数值模型参数和尺度的影响，数值波浪水槽的参数如下：水槽总长为24m，总宽为1m，总高度为4m，水深为2m。其中，EF 为自由液面，AB 为入口边界，CD 为出口边界，AC 为水槽上边界，BD 为水槽下边界，波流同向时的传播方向为正x 方向，如图1 所示。

图1 数值波浪水槽示意图

在进行数值模拟时，为了能够在尽量短的时间内得到最精确的计算结果，本文中数值模拟计算域的整体网格大小为0.04m，在自由液面上下2m 处进行网格加密，加密区域的网格大小为0.02m，共计网格数量为5.49×105，如图2 所示为流体域的网格划分情况。

图2 流体域网格划分情况

3 实验设置

3.1 围油栏实验模型

每个围油栏单体包括浮子、裙体和平衡配重3 个组成部分，如图3 所示。依据围油栏的相关规范要求，按照缩尺比λ=4，共设计制作了4 种围油栏模型，围油栏模型的具体设计参数如表1 所示。

表1 围油栏模型设计参数表

图3 围油栏示意图

3.2 实验环境及条件

在中国石油大学（华东）进行了此次实验，图4 为实验采用的波流综合实验水槽，该设备可以满足我们实验所需要的水流和波浪需求。整个水槽的尺寸分别为长16m，宽1m，高1.4m，实验水深为1m，如图4 所示。整个水槽分为三个区域，水槽前侧的产生波区，水槽中部的实验区域，水槽后侧的消波区域。实验过程中，将围油栏沿着水槽的宽度方向放置在水槽的中部，围油栏的两端采用系泊线固定。

图4 波流综合实验水槽

根据围油栏实物与模型之间的相似关系，表2 为设计的6 种不同的水流要素（水流流速的缩尺比为）。根据不同的波高、波周期，共设计了9 种不同的波浪要素，如表3 所示。

表2 设计水流要素表

表3 设计波浪要素表

4 结果分析

4.1 裙体高度对拦油效果的影响

在纯水流条件下，水流速度为0.22m/s，溢油体积为0.5m3，溢油密度为790kg/m3，对裙体高度分别为A1、A2、A3、A4 的围油栏的拦油过程进行数值模拟。结果表明，在水流流速为0.22m/s 时，如图5 所示，四种围油栏均出现了拦油失效。对拦油失效后的油损失量进行监测，监测结果如图6 所示，分析可知油损失量随着裙体高度的增加而减小，当裙体高度最大时，即A4型号的围油栏，其油损失量最小，数值与实验结果的相对误差在7%以内，数值与实验结果相对吻合。这是由于在相同的水流流速下，裙体高度越大在围油栏附近形成的低速区越大，即可以容纳较多的油，因此，随着裙体高度的增加围油栏的拦油效果提升，围油栏裙体高度这一参数是在进行围油栏选型时需要充分考虑的。

图5 不同裙体高度的围油栏拦油效果对比

图6 不同裙体高度的围油栏拦油失效后的油损失量对比

4.2 波流同向与波流逆向条件下拦油效果对比分析

初始溢油量为0.5m3，选取表4 所示的三个工况对比研究波流同向和波流逆向条件下围油栏的拦油效果。

表4 波流逆向条件下的波浪参数

图8 为波流同向和波流逆向条件下围油栏的运动响应，与波流同向相比，波流逆向条件下，围油栏的运动响应减弱，运动幅度减小，如图7 所示。波流同向条件下，波流对油层的作用方向是相同的，加快了拦油失效，而波流逆向条件下逆向的波浪对拦油失效有阻碍作用，因此更有利于围油栏对溢油的围控，如图7 所示。

图7 波流同向和波流逆向条件下围油栏拦油效果对比图

图8 波流同向和波流逆向条件下围油栏运动响应对比

5 结论

本文采用物理模型实验和数值模拟的研究方法，分别分析裙体高度、波流方向、初始溢油量对围油栏拦油效果产生的不同影响。

（1）随着裙体深度的增加，围油栏的拦油效果不断提升。拦油失效后，油损失量随着围油栏裙体高度的增大而减小。

（2）波流同向条件下，油层的运动方向取决于波浪和水流的方向，而波流逆向条件下，逆向的波浪阻碍了油层向围油栏前侧的运动，波流逆向条件下更有利于拦油。

在此研究的基础上，未来还可以研究双体围油栏，从拦油提升率等角度对双体围油栏与单体围油栏进行对比分析。