油船水下破艙原油泄漏模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

趙衛(wèi)斌，盧金樹，朱哲野，劉楓琛

（浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316004）

模型試驗(yàn)研究是目前油船水下破艙原油泄漏的主要研究手段之一。KARAFIATH與BELL[1-2]為了探討中層甲板油船和雙殼油船擱淺事故中底部破損引起意外溢油的情景，在模型試驗(yàn)中考慮了船體升降運(yùn)動(dòng)及海流因素。指出單純的升降運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏量基本沒有影響，但結(jié)合了海流因素，則泄漏量大為增加。研究為美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)研究油船替代設(shè)計(jì)中評(píng)估不同船舶結(jié)構(gòu)的貨油泄漏概率提供了理論依據(jù)。日本YAMAGUCHI與YAMANOUCHI[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了靜水中某VLCC的1/50模型艙破損雙殼模型艙底部破損原油泄漏情景，完成了不同油艙尺寸、結(jié)構(gòu)特征和裝載條件下3種潤(rùn)滑油的泄漏試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型實(shí)驗(yàn)中貨物性質(zhì)及泄漏條件與原型相似的重要性，指出需要模型與原型之間的幾何和動(dòng)力相似。BEATTY等[4-5]針對(duì)奧利油和植物油，基于量綱分析制造了1/16的模型艙并開展了一系列模型實(shí)驗(yàn)，分別探索了密度大于和小于海水的兩種油品的泄漏特征，拓展了早期NOAA對(duì)于重油的研究。大連海事大學(xué)林建國(guó)等[6]指出破艙位置、形狀大小等物理參數(shù)對(duì)船舶溢油量存在一定的影響，并通過二維泄漏實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。TAVAKOL[7]等完成了側(cè)面及底部破孔的泄漏模型實(shí)驗(yàn)，研究了不同液艙結(jié)構(gòu)的泄漏入海量及壓載艙的捕獲原油的能力。前人雖然對(duì)水下破艙原油泄漏進(jìn)行了大量研究，但多以宏觀的泄漏量、泄漏總時(shí)間為目標(biāo)，較少涉及泄漏機(jī)理的研究[8-9]。本試驗(yàn)以研究油船水下破艙原油泄漏過程的機(jī)理為目標(biāo)，通過構(gòu)建縮尺模型以及利用壓力傳感器、液位傳感器以及攝像機(jī)等監(jiān)測(cè)手段獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

綜上所述，大量文獻(xiàn)研究了泄漏總量并分析了多種影響因子的不同效應(yīng)，關(guān)注了泄漏總量，但對(duì)泄漏動(dòng)力學(xué)機(jī)理尚缺乏深入分析。因此需要進(jìn)一步對(duì)泄漏過程進(jìn)行瞬態(tài)分析，并根據(jù)不同階段的泄漏特征分析影響泄漏行為的具體因素，并重點(diǎn)從微觀角度分析整個(gè)流動(dòng)過程不同階段的流動(dòng)特征，尤其是壓力差泄漏與密度差泄漏過渡階段的特征。本試驗(yàn)針對(duì)油船側(cè)壁水下破艙的典型情景，可以完整包含重力泄漏與體積置換泄漏兩個(gè)階段。為了重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，暫時(shí)不考慮海洋環(huán)境及船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素，以便更直接地發(fā)現(xiàn)吃水、裝載狀況和油品特征（密度及粘度）等相關(guān)因子影響泄漏規(guī)律。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在油船發(fā)生破損時(shí)，有多種因素將會(huì)影響油品泄漏過程與結(jié)果，如風(fēng)、潮汐、海浪、海流和船艙晃蕩等。然而，將所有因素考慮到如此小尺度的在試驗(yàn)中來是有困難的?；诖嗽?，根據(jù)研究靜水泄漏情景的需要，選擇油品粘度，油品初始液位高度、油艙的結(jié)構(gòu)尺寸以及破孔的位置等因素作為變量，采用模型簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并作如下假設(shè)：

（1）不考慮油船搖晃對(duì)油艙液位的影響；

（2）不考慮油船吃水變化對(duì)油品泄漏的影響；

（3）不考慮溢油事故發(fā)生后油艙結(jié)構(gòu)變化的影響；

（4）保持艙口恒定為一個(gè)大氣壓。

2.1 模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則

模型尺度的油品泄漏與真實(shí)泄漏具有相同的水動(dòng)力現(xiàn)象，且作用在流體質(zhì)點(diǎn)上的力均為靜壓力，慣性力以及粘性力。為了便于直接從模型試驗(yàn)中轉(zhuǎn)化結(jié)果，模型艙和母型艙必須在幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力上達(dá)到最大限度的相似。

2.1.1 幾何相似

幾何相似是指流動(dòng)的幾何空間相似，或模型與原型形狀相似，幾何相似是力學(xué)相似的前提。對(duì)于船舶相關(guān)的試驗(yàn)，模型是按照一定的比例縮小而制成的。目前完成的原油水下泄漏模型研究中，尺度比例系數(shù)在15～50之間[1,3,5,7]?？紤]到實(shí)驗(yàn)需要及成本，本項(xiàng)目采用了λ為30來構(gòu)建模型艙及破孔特征。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)相似

當(dāng)相似運(yùn)動(dòng)流體在相同點(diǎn)上具有相似的速度，則稱為運(yùn)動(dòng)相似。

本試驗(yàn)引入比例常數(shù)λv,

針對(duì)靜水情景，υ為外流速度；g為重力加速度；h為油層高度；Hw為油艙吃水，m；ρ0為油品的密度；ρw為水的密度；下標(biāo)p和m分別代表母型艙和模型艙；λ為幾何相似尺寸。

通過上式，可以確定模型艙的裝載及外部吃水條件。

2.1.3 動(dòng)力相似

無論油船結(jié)構(gòu)是單殼還是雙殼，破損部位在側(cè)面還是底部發(fā)生原油泄漏時(shí)，慣性力是一項(xiàng)不可忽略的力，故本試驗(yàn)將考慮弗洛德數(shù)。而在側(cè)面破損情景，海水與油品置換階段的原油泄漏中，粘性力是主導(dǎo)力，油品粘度對(duì)泄漏過程中有很大的影響，故本試驗(yàn)也將考慮雷諾數(shù)。

弗洛德數(shù)是慣性力和重力之比

針對(duì)靜水情景，υ為油品泄漏速度；g為重力加速度；L為艙內(nèi)油品高度；下標(biāo)p和m分別代表母型艙和模型艙。

只要滿足幾何與運(yùn)動(dòng)相似條件，自然滿足弗洛德相似。

雷諾數(shù)是慣性力和粘性力之比：

其中，ρ為流體密度；υ為流體速度；d為破孔直徑；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以模型實(shí)驗(yàn)的方法研究油船水下破艙原油泄漏過程的機(jī)理。為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加可靠，本試驗(yàn)運(yùn)用流體力學(xué)相似準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)用模型艙尺寸的確立和油品的選擇，且對(duì)以往油船水下破艙原油泄漏事故統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行破孔尺寸和破孔位置的設(shè)計(jì)。

2.2.1 模型艙設(shè)計(jì)

由于雙殼油船與單殼油船在泄漏過程中具有相同的泄漏機(jī)理，為了更直觀、簡(jiǎn)潔地反應(yīng)泄漏機(jī)理，本試驗(yàn)采用單殼油船進(jìn)行模型構(gòu)建。便于攝像機(jī)的拍攝，模型油艙由可視性較強(qiáng)的有機(jī)玻璃制成。模型艙考慮到試驗(yàn)成本及操作方便等因素，按1/30等比例縮小某油船來構(gòu)建模型。模型艙貨艙幾何尺寸為0.6 m×0.5 m×0.5 m（長(zhǎng)、寬、高）。

2.2.2 油品選取

考慮到同時(shí)滿足模型試驗(yàn)同時(shí)滿足雷諾相似與弗洛德相似的需要，由方程(5)可知，當(dāng)尺度比例系數(shù)為30時(shí)，所需模擬油品的運(yùn)動(dòng)粘度度為原油品運(yùn)動(dòng)粘度的1/165。重質(zhì)原油的動(dòng)力粘度最大可達(dá)1 500-3 000 cP，相對(duì)密度一般在0.75～0.95之間，則原油的運(yùn)動(dòng)粘v度為一般為2 000～3 000 cSt，為了達(dá)到動(dòng)力相似，試驗(yàn)所用油品運(yùn)動(dòng)黏v度應(yīng)為10-20 cSt[7]。

2.2.3 水池設(shè)計(jì)

本模型中的水池是用于提供試驗(yàn)所需的水環(huán)境以及保持模型艙在每次試驗(yàn)中的吃水高度恒定。為保持同一試驗(yàn)中吃水高度基本恒定，設(shè)計(jì)應(yīng)用少量水流進(jìn)入水池將泄漏的油品排出池外并補(bǔ)充進(jìn)入模型艙的水量，并在水池上部水面處設(shè)計(jì)若干小孔，保證上浮的油將會(huì)通過小孔排出。進(jìn)入水池的水量需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，在保持吃水恒定的前提下應(yīng)盡量減少。便于記錄試驗(yàn)過程，水池尺寸為1 m×0.8 m×1 m（長(zhǎng)、寬、高），由可視化較強(qiáng)的有機(jī)玻璃制成。

2.2.4 測(cè)量裝置的選取

為實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)的研究目的，須在實(shí)驗(yàn)過程中觀測(cè)自由液面、油水分界面及不同泄漏階段時(shí)間分界點(diǎn)，需動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)油與水的體積等物理量，為此選取以下測(cè)量?jī)x器。

（1）選擇精度為0.001 m的米尺用于直觀的觀測(cè)模型艙內(nèi)油品高度的變化，為減少實(shí)驗(yàn)觀測(cè)誤差，分別在破孔的正面和側(cè)面均布置1把米尺。

（2）選擇量程為0～15 kPa，精度為0.5%FS的壓力傳感器用于測(cè)量模型艙底部壓力的變化，主要是為了監(jiān)測(cè)體積置換階段海水進(jìn)流量及油品入海量的動(dòng)態(tài)變化。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，在模型艙底部中心線的兩端分別布置2個(gè)壓力傳感器。

（3）選擇量程為0～1 m，精度為0.5%FS的液位傳感器用于實(shí)時(shí)記錄破孔以上液位高度，主要是為了監(jiān)測(cè)重力泄漏階段的油品入海量的動(dòng)態(tài)變化；為減少實(shí)驗(yàn)誤差，在破孔的左右兩側(cè)分別布置2個(gè)液位傳感器。

（4）高清攝像機(jī)用于直觀的記錄整個(gè)泄漏過程。為全方位的拍攝泄漏過程，破孔正面和側(cè)面分別布置一臺(tái)高清攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，主要是記錄泄漏第一階段持續(xù)時(shí)間，泄漏第二階段持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)間，可更加直觀地反映實(shí)驗(yàn)過程。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在油船原油運(yùn)輸實(shí)際過程中，所裝載油品的密度與粘度有較大的差別，油艙破損時(shí)破孔的大小與位置有所不同，另外包括吃水在內(nèi)的船舶狀態(tài)亦有所不同。故本試驗(yàn)將對(duì)不同參數(shù)對(duì)油船水下破艙原油泄漏過程的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 油品性質(zhì)因子

由2.2.2可知，通過動(dòng)力相似選取試驗(yàn)用油。針對(duì)側(cè)壁破損泄漏的實(shí)際，綜合分析模擬不同階段的實(shí)驗(yàn)需要，滿足動(dòng)力相似條件時(shí)須同時(shí)考慮Re與Fr兩個(gè)準(zhǔn)則數(shù)來選擇試驗(yàn)油品（v）中所示油品，船用輕質(zhì)燃料油完全符合實(shí)驗(yàn)要求，而植物油主要是對(duì)比于船用輕質(zhì)燃料油用來檢驗(yàn)泄漏的油品密度效應(yīng)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of test system

表1 實(shí)驗(yàn)用油物理性質(zhì)Physical properties of the oils in experiments

2.3.2 破孔規(guī)格因子

為了與實(shí)際情況更相符合，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮到碰撞位置以及碰撞強(qiáng)度兩個(gè)方面。碰撞位置由距離模型艙底部0.08 m、0.15 m與0.22 m的3個(gè)直徑為0.025 m的圓形破孔分別代表破損位置位于油艙的底部、中部和上部；碰撞強(qiáng)度由破孔大小表示，破孔直徑為0.015 m、0.025 m與0.035 m的3個(gè)圓形破孔分別代表碰撞強(qiáng)度的弱、中、強(qiáng)。具體位置如圖2所示。

2.3.3 船舶裝載因子

考慮到實(shí)船由于裝載情況以及航行區(qū)域的不同，存在油船吃水變化。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ团撏ㄟ^位于模型艙底部的調(diào)節(jié)螺母調(diào)整模型艙與水池之間高度改變模型艙吃水。

圖2 破孔布置Fig.2 Location of holes

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于本論文的重點(diǎn)是對(duì)油船水下破艙原油泄漏模型試驗(yàn)的機(jī)理研究，且TAVAKOLI[12]等對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，62%的溢油事故是由觸礁引起的，即溢油事故發(fā)生時(shí)破孔位于油艙底部的概率最大，故本試驗(yàn)只選取離破孔底部0.08 m，破孔直徑為0.025 m的破孔為典型進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了直觀地顯示各個(gè)典型時(shí)刻的泄漏現(xiàn)象，特選取泄漏開始前、泄漏早期、泄漏進(jìn)水時(shí)刻以及泄漏后期4個(gè)典型時(shí)刻作為記錄對(duì)象。具體影像如圖3所示。

從圖3可以看出，出現(xiàn)進(jìn)水時(shí)刻為80 s左右，泄漏總時(shí)間為10 063 s左右，泄漏總量為0.029 07 m3，占總裝載量的23.07%。

此外有液位采集軟件測(cè)得模型艙內(nèi)破孔以上液位高度變化，如圖4所示；有壓力采集軟件測(cè)得模型艙底部壓力變化，如圖5所示。

由圖4中曲線可知，隨著時(shí)間的推移，破孔以上液位高度總體呈先下降后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。在80 s以前，破孔以上液位的高度急劇下降；而在80～900 s破孔以上液位的高度緩慢下降。這是由于隨著泄漏過程的發(fā)生，破孔以上液位逐漸下降導(dǎo)致破孔兩側(cè)壓力差逐漸減少，從而使得泄漏速度的下降，故破孔以上液位下降速度逐漸減少。

由圖5中曲線可知，模型艙底部壓力在0～900 s時(shí)逐漸下降，在900～7 200 s時(shí)緩慢上升。之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因?yàn)樵?～900 s處于泄漏的第一階段，此時(shí)破孔兩側(cè)的壓力差是油品泄漏的原因；而在900～7 200 s處于泄漏的第二階段油品和外側(cè)海水的密度差是油品泄漏的原因。此外，通過傳感器數(shù)據(jù)可知，在900 s模型艙底部壓力逐漸上升，這是由于模型艙底部的油品被水所取代，由此可知900 s為進(jìn)水時(shí)刻。

圖3 典型時(shí)刻模型艙內(nèi)油品的泄漏情況Fig.3 Oil leakage situation at typical time

圖4 破孔以上液位高度變化Fig.4 Oil height above the hole

圖5 模型艙底部壓力變化Fig.5 Pressure at the bottom of oil tank

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過流體相似準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過高精度的壓力傳感器和液位傳感器監(jiān)測(cè)獲得了實(shí)時(shí)連續(xù)的壓力以及液位的變化數(shù)據(jù)。通過高清攝像機(jī)全程拍攝整個(gè)試驗(yàn)過程，可通過視頻回放獲得直觀清晰的試驗(yàn)現(xiàn)象。

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