倪 陽，姚木林，宋長友，李明政

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

新型水動力式水面薄油膜回收分離裝置設(shè)計

倪 陽，姚木林，宋長友，李明政

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

當前海上溢油風險日益增加。為滿足溢油回收設(shè)備的迫切需求，基于水動力學原理及油-水-氣的物理特性，經(jīng)過逐步探索和不斷優(yōu)化改型，最終設(shè)計了兩型分離效率高、能耗低、體積小的油水分離裝置——多格柵單集油艙油水分離裝置和雙集油艙油水分離裝置，其中雙集油艙油水分離裝置具有更好的油水分離率和更高的分離效率。這類基于水動力學構(gòu)型即可實現(xiàn)浮油回收與分離的設(shè)備較市場上其他類型的設(shè)備具有更簡單的控制系統(tǒng)，因此具有更高的系統(tǒng)可靠性，適用于各種黏度和各種厚度的油層，具有廣闊的市場前景。

海上溢油；油水分離；浮油回收；油氣水三相流；數(shù)值方法

0 引 言

20世紀中葉以來，海洋事業(yè)發(fā)展極為迅速，海上鉆井、采油、生產(chǎn)處理及海面船舶運輸?shù)茸鳂I(yè)活動日趨頻繁，然而海洋環(huán)境復雜多變，眾多石油生產(chǎn)和運輸環(huán)節(jié)發(fā)生的意外事故造成的海上溢油的可能性亦隨之不斷增大[1]。國家海洋災害統(tǒng)計公報的數(shù)據(jù)顯示，近年來我國海洋溢油事故量平均每年都以超過200%的速度增長。同時越來越多的海上鉆井平臺和海上輸油管道相繼建成，也存在著環(huán)境或者自身結(jié)構(gòu)的安全隱患問題，可能會發(fā)生平臺爆炸或者輸油管道的泄漏，從而導致原油泄漏事故。近年來，盡管中石油、中石化、中海油等大型石油企業(yè)相繼建成一批專業(yè)的海上應急處理船，然而數(shù)量有限。

海上原油泄漏事故不僅浪費了緊缺的石油資源，還可能引發(fā)國際糾紛，更嚴重的是，泄漏的原油漂浮在海洋或其他水域上將嚴重破壞海洋、海岸及其他水域的環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟損失和難以修復的生態(tài)破壞。因此海上原油泄漏事故發(fā)生后，需要通過有效先進的海面浮油回收分離裝置將海上浮油盡可能回收，從而把事故的負面影響降至最低[2]。

綜上所述，設(shè)計一種高效快捷的海上浮油收集設(shè)備是非常必要的。目前，海上浮油收集的方法大致分為物理法、化學法和生物法三種。如采用分散劑、微生物富氧化以及燃燒等化學或生物清理手段，不僅對生態(tài)環(huán)境帶來二次破壞及污染，而且會浪費日益短缺的能源。因此，利用油和水的不同物理特性、基于流體力學的物理分離方法，必將得到廣泛的應用。

本研究利用數(shù)值模擬方法，對油水分離裝置進行設(shè)計及優(yōu)化，經(jīng)過逐步的優(yōu)化改型得到了兩型分離效率高、能耗低、體積小的油水分離裝置。

1 數(shù)學模型及控制方程

經(jīng)過分析與不斷的實踐，總結(jié)出油水分離裝置數(shù)值模擬的難點和特點有:(1)相態(tài)較多(“油氣水”三相流)，需要精細計算各相態(tài)間以及流體與壁面上的剪應力，準確確定體積流量、體積分數(shù)和沿程壓降之間的關(guān)系，才能精確模擬集油艙內(nèi)的流動特性；(2)鑒于集油艙內(nèi)流體流速較快，三相流體帶有復雜的自由面或交界面，以及艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜等特點，在計算網(wǎng)格的劃分以及湍流模式等計算模型的選取方面需要做大量的工作；(3)由于集油艙內(nèi)某些特定區(qū)域流體的湍動劇烈，各相間界面呈隨時間變化的曲線形狀，并且由于油和水的密度相差不大，因此各相間的表面張力不能被忽略。

鑒于以上難點和特點，在本文的油水分離問題的數(shù)值模擬中，將油-氣-水交界面流動作為三相流來處理；由于流場中流體流動速度與音速相比很小，因此將油、水和空氣都作為不可壓縮流體處理；油-氣-水交界面使用流體體積(VOF)方法處理。這樣，油水分離問題數(shù)學模型的控制方程包括：連續(xù)性方程、體積分數(shù)方程、動量方程以及湍流模型的k-ε方程[3]。

1.1 控制方程

不可壓縮流體流動的連續(xù)性方程為

(1)

對于油水分離問題這種三相流，油、水與空氣的質(zhì)量都應該是守恒的。由于流體的不可壓縮性，可以用體積分數(shù)寫為

(2)

計算區(qū)域內(nèi)的每個控制體積都由水、油或空氣充滿，它們的體積分數(shù)之和應為1，即

αa+αw+αo=1，

(3)

式中：α表示體積分數(shù)，下標a、w和o分別代表空氣、水和油。

兩相流同樣要滿足動量守恒方程：

(4)

(5)

1.2 湍流模型

RNGk-ε二方程模型是使用 “Renormalization Group (RNG)”的數(shù)學方法，從Navier-Stokes方程導出的，其表達式如下：

(6)

(7)

下面給出上兩式中各系數(shù)的表達形式(或值)。

Gk表示由時均速度的梯度產(chǎn)生的湍流動能：

Gk=μtS2,

(8)

Rε可表示為

(9)

常數(shù)：ck=cε≈1.393，C1=1.42，C2=1.68。

1.3 邊界條件

在本文的油水分離問題的數(shù)值模擬中，具體的邊界條件設(shè)置如下(參見圖1)[4]：集油艙外部構(gòu)型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用壁面條件作為邊界條件；集油艙的自由表面油-水液體入口使用壓力入口作為邊界條件；集油艙的水下抽水泵采用速度入口作為邊界條件。

圖1 計算流體力學(CFD)數(shù)值仿真中邊界條件設(shè)置Fig.1 Set of boundary conditions in CFD simulations

2 油水分離裝置優(yōu)化設(shè)計方案及其性能分析

2.1 油水分離裝置優(yōu)化設(shè)計方案

基于水動力學原理及油-水-氣的物理特性，利用數(shù)值模擬方法分析，對油水分離裝置進行了設(shè)計及優(yōu)化。經(jīng)過逐步的探索和不斷的優(yōu)化改型得到了兩型分離效率高、能耗低、體積小的油水分離裝置，分別為多格柵單集油艙油水分離裝置和雙集油艙油水分離裝置，如圖2和圖3所示，圖中虛線為流體的交界面。

圖2 多格柵單集油艙油水分離裝置Fig.2 Oil recovering and oil-water separating equipment with multi-grilling single tank

圖3 雙集油艙油水分離裝置Fig.3 Oil recovering and oil-water separating equipment with double tanks

2.2 油水分離裝置設(shè)計方案的性能分析

應用前述“油氣水”三相流集油數(shù)值模擬數(shù)學模型，并把模擬結(jié)果動態(tài)地顯示在屏幕上，從而形象直觀地看到浮油在集油艙內(nèi)聚集和移動的全過程，進一步探索油在集油艙內(nèi)的運動規(guī)律，從而得到了集油艙內(nèi)部構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計方案。下面分別對多格柵單集油艙油水分離裝置和雙集油艙油水分離裝置內(nèi)部的水動力分離特性進行分析。

2.2.1 多格柵單集油艙油水分離裝置的分離性能

對多格柵單集油艙油水分離裝置進行了不同抽吸速度的數(shù)值模擬，如圖4(抽吸速度0.1 m/s)和圖5(抽吸速度0.2 m/s)所示。圖中按流體密度不同來區(qū)分不同瞬時時刻的三相流分布，其中藍色代表空氣(1.225 kg/m3)，綠色代表油(949.1 kg/m3)，而紅色代表海水(1 025 kg/m3)。圖4和圖5的左上圖為集油分離裝置剛起動時內(nèi)部的三相態(tài)流體分布；右上圖、左下圖和右下圖依次為隨著時間遞進，集油分離裝置內(nèi)部的三相態(tài)流體分布。

圖4 多格柵單集油艙油水分離裝置內(nèi)部流動(抽吸速度0.1 m/s)Fig.4 Internal flows in multi-grilling single tank (injecting velocity is 0.1 m/s)

圖5 多格柵單集油艙油水分離裝置內(nèi)部流動(抽吸速度0.2 m/s)Fig.5 Internal flows in multi-grilling single tank (injecting velocity is 0.2 m/s)

通過分析圖4和圖5中的流體流動與不同相態(tài)流體的分布，發(fā)現(xiàn)多格柵單集油艙油水分離裝置的一些分離性能。

(1) 若抽吸速度適當，當海平面處的油層累積到一定量后，油才會向下流動(見圖4和圖5的右上圖)。這提示我們需要及時地將海平面處已經(jīng)累積的油層進行分離回收。

(2) 此方案中的流體流動顯示出，海水主要沿著裝置內(nèi)部的左壁面向下流動，而油主要沿著裝置內(nèi)部的右壁面向下流動。因此，可沿著右壁面設(shè)置多個恰當?shù)募头蛛x設(shè)備。

(3) 當抽吸速度適當小時，油-水的交界面比較平滑穩(wěn)定；而當抽吸速度增大時，流動中的渦流會導致油-水的交界面不清晰，將會有部分油逃離，致使分離效果變差。

根據(jù)如上分析的多格柵單集油艙油水分離裝置的內(nèi)部流動特性，可在油分布密集區(qū)設(shè)置回收通道實現(xiàn)油的回收。

2.2.2 雙集油艙油水分離裝置的分離特性

通過前面的分析，盡管如使用得當，多格柵單集油艙油水分離裝置有著良好的分離效果，但當抽吸速度加大后，其油水分離率會大大降低。為了彌補多格柵單集油艙油水分離裝置的這一不足，我們設(shè)想能否通過增加二次分離艙來對從一次分離艙逃逸的油滴進行二次收集，以取得高效的分離流動和更高的油水分離率。經(jīng)過十多次的改進衍化，并且集十幾個方案中有益的水動力學特性于一身，最終設(shè)計出了雙集油艙油水分離裝置(見圖3)[5]。

對雙集油艙油水分離裝置進行的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6所示(抽吸速度0.2 m/s)。與多格柵單集油艙油水分離裝置內(nèi)部的流動顯示方法相同，圖中同樣按流體密度不同來區(qū)分不同瞬時時刻的三相流分布，其中藍色代表空氣(1.225 kg/m3)，綠色代表油(949.1 kg/m3)，而紅色代表海水(1 025 kg/m3)。圖6左上圖、右上圖、左下圖和右下圖依次為隨著時間遞進，集油分離裝置內(nèi)部的三相態(tài)流體分布。左上圖為集油分離裝置剛起動時，內(nèi)部的三相態(tài)流體分布；右上圖為一次集油艙內(nèi)的油層達到一定厚度后，開始有油滴逃往二次集油艙；左下圖中顯示二次集油艙中的分離機構(gòu)起到了良好的分離作用；右下圖表明當一次集油艙中累積大量油的同時，二號分離艙中的分離機構(gòu)將從一次分離艙逃逸的油滴良好地收集起來。

圖6 雙集油艙油水分離裝置內(nèi)部流動(抽吸速度0.2 m/s)Fig.6 Internal flows in double tanks (injecting velocity is 0.2 m/s)

從數(shù)值模擬的結(jié)果可清楚地觀察到，如設(shè)計者所愿，在一次集油艙(左艙)具有強大集油效果的同時，二次集油艙能夠有效地將從一次集油艙中逃逸出的油進行二次收集。

雙集油艙油水分離裝置的集油及油水分離設(shè)計過程中的主要訣竅是在艙室內(nèi)部的近自由面處設(shè)置低速高阻尼的流動區(qū)域，使得密度較小的油可以上浮于自由表面留在集油艙內(nèi)部，而密度較大的水隨著水泵的抽吸排出集油艙。圖7所示內(nèi)部流動矢量圖更加清晰地說明了雙集油艙油水分離裝置的設(shè)計理念與流動特性。

(1) 盡管一次集油艙(左艙)構(gòu)型簡單，但由于其近似直角三角形的設(shè)計，使得油水混合物在進入一次集油艙后，既可利用油和水密度不同的物理特性，使水沿著三角形斜邊附近的“高速流動通道”流向二次分離艙，同時也可將密度稍小的油聚集起來并浮于自由表面附近的“低速流動區(qū)域”。

(2) 由于經(jīng)過了一次分離，因此從一次分離回收艙流到二次分離回收艙的流體中，油處于水的上部。二次分離正是利用了這一流動特性。流體質(zhì)點進入裝置內(nèi)部后，總是選擇最短的路徑以最快捷的方式從裝置內(nèi)部流出。圖7中的流體質(zhì)點跡線顯示了其流動路徑與速度分布。二次分離回收艙中的機構(gòu)在將以A為中心的流體上端，將流動的質(zhì)點群分離成兩股流體。一股流體向下直奔出口(不含油流體)，而通過設(shè)置格柵，對另一股流體(含油流體)施加具有向上分量的力后，這一部分流體質(zhì)點的運動速度降低，因而由油和水的密度差導致的沉降分離效果得以發(fā)揮作用。以B為中心的環(huán)流巧妙地彌補了由于油上升累積而造成的向下流動流體的質(zhì)量不守恒問題。

圖7 雙集油艙油水分離裝置內(nèi)部流動矢量圖(質(zhì)點流動速度單位：m/s)Fig.7 Vector diagram of internal flows in double tanks (m/s)

綜上可知，雙集油艙油水分離裝置的優(yōu)點為：流體質(zhì)點流動路徑的良好設(shè)計使得該裝置體積小、能耗低，但效率高；二次分離收集艙的設(shè)計使得該裝置的油水分離率極高。

3 結(jié) 語

本研究基于水動力學原理及油-水-氣的物理特性，利用數(shù)值模擬方法分析，對油水分離裝置進行了設(shè)計及優(yōu)化，得到了兩型分離效率高、能耗低、體積小的油水分離裝置——多格柵單集油艙油水分離裝置和雙集油艙油水分離裝置。其中雙集油艙油水分離裝置具有更好的油水分離率和更高的分離速度，屬于水動力式浮油回收裝置。

通過將出水口設(shè)計成噴水推進裝置，本研究中的油水分離裝置可進一步改裝成無人水上集油分離機器人或海上浮油回收船，其應用及市場前景十分廣闊。

[1] 叢巖. 國內(nèi)溢油回收船現(xiàn)狀及溢油回收裝置選型研究[J]. 船舶工程, 2015(5):1.

[2] 王磊，封培元，史琪琪,等. 海上鏟式浮油收集器：中國，CN 101565942B [P]. 2011-01-19.

[3] 高清軍. 多種海況下的水下溢油數(shù)值模擬[D]. 大連：大連海事大學，2008.

[4] 韓占忠. FLUENT——流體工程仿真計算實例與分析[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[5] 宋長友，姚木林，李明政，等. 一種水面薄油膜回收分離裝置：中國，CN 104047274A [P]. 2014-09-17.

DesignSchemesofaNewHydrodynamicTypeofEquipmentforFloatingThinOilSlickRecoveryandOil-WaterSeparation

NI Yang, YAO Mu-lin, SONG Chang-you, LI Ming-zheng

(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi,Jiangsu214082,China)

With the increasing risk at oil spilling in the seas, floating oil recovering equipment is in an urgent need. Based on the hydrodynamic principle and the different physical properties of oil, water and air, two design schemes of a new hydrodynamic type of equipment for floating thin oil slick recovery and oil-water separation are proposed. The two oil recovering and oil-water separating devices are multi-grilling single tank and double tanks, respectively. It is worth mentioning that the double tanks equipment has a higher separation rate and also a higher recovering efficiency. This kind of oil recovering equipment has many advantages compared with the other existing ones, such as higher system reliability, lower water content of the recovered oil and higher oil-water separating efficiency.

oil spill at sea; oil-water separation; floating oil recovery; oil-gas-water three-phase flow；numerical method

2015-08-31

倪陽(1985—)，男，工程師，博士研究生，主要從事船舶流體力學方面的研究。

U674.24+7

A

2095-7297(2015)05-0342-05