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(xiǎn)[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(kuò)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(huì)降低[6,7]。

近年來，大部分的研究是針對圍油欄的水動(dòng)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(kuò)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(shí)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(xiǎn)。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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究圍油欄的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和攔油效果。通過將實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)特性、油膜形態(tài)變化和油損失量三個(gè)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(jì)、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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)方向的速度分量；ρ 為流體密度。

動(dòng)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(qiáng)，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(gè)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(yùn)方程計(jì)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(shí)的傳播方向?yàn)檎齲 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(shí)，為了能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)得到最精確的計(jì)算結(jié)果，本文中數(shù)值模擬計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.1 圍油欄實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

每個(gè)圍油欄單體包括浮子、裙體和平衡配重3 個(gè)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(jì)制作了4 種圍油欄模型，圍油欄模型的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 圍油欄模型設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖3 圍油欄示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件

在中國石油大學(xué)（華東）進(jìn)行了此次實(shí)驗(yàn)，圖4 為實(shí)驗(yàn)采用的波流綜合實(shí)驗(yàn)水槽，該設(shè)備可以滿足我們實(shí)驗(yàn)所需要的水流和波浪需求。整個(gè)水槽的尺寸分別為長16m，寬1m，高1.4m，實(shí)驗(yàn)水深為1m，如圖4 所示。整個(gè)水槽分為三個(gè)區(qū)域，水槽前側(cè)的產(chǎn)生波區(qū)，水槽中部的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，水槽后側(cè)的消波區(qū)域。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)水槽

根據(jù)圍油欄實(shí)物與模型之間的相似關(guān)系，表2 為設(shè)計(jì)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(jì)了9 種不同的波浪要素，如表3 所示。

表2 設(shè)計(jì)水流要素表

表3 設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，即A4型號的圍油欄，其油損失量最小，數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差在7%以內(nèi)，數(shù)值與實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)，與波流同向相比，波流逆向條件下，圍油欄的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減弱，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)對比

5 結(jié)論

本文采用物理模型實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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。