圍油欄現狀與數值模擬研究綜述

摘 要：在處理海上溢油事故中，圍油欄是一種常用設備。文章介紹了圍油欄的發(fā)展歷程，并對其特性、種類和結構做了較為詳盡的綜述。結合國內外的研究現狀，對今后圍油欄數值模擬的方向做出進一步的分析與展望。

關鍵詞：圍油欄；數值模擬；海上溢油

1 引言

海上發(fā)生石油泄漏事故時，溢油會在海面形成范圍很廣的油層。一般情況下，首先必須采取措施對溢油進行圍控，而圍油欄是不可或缺的圍控工具。圍油欄具有使用便捷、不會造成附加污染等特點，是應對海上溢油事故中最為有效的工具之一。

圍油欄的研制始于20世紀30年代或更早一些。最初它僅作為應急設備，主要配備于煉油廠、儲油基地等場所。直到上世紀六、七十年代，圍油欄才得到人們的重視，被用于防污染工作。隨著國內外海上石油泄漏事故頻發(fā)，圍油欄的作用更加凸顯，專家、學者對高性能圍油欄展開了更深入、更廣泛地研制。[1，2]

2 圍油欄的特性、種類和結構

在分析圍油欄攔油性能時要綜合考慮乘波性、滯油性及抗風抗浪性[3]。另外，堅固耐用，使用便捷，方便維修以及海生物不易附著等性能同樣重要[4]。

廣泛應用的固體浮子式圍油欄組成部分有：浮子、配重和裙體。浮子為圍油欄提供了浮力。配重的作用是保證裙體能夠在水中盡量伸展并盡可能保持垂直。裙體的作用是攔截浮油。

圍油欄種類眾多，至今尚無統一分類。按浮體結構可分為：充氣式圍油欄、固體浮子式圍油欄和浮沉式圍油欄；按使用環(huán)境分類，可分為：平靜水流圍油欄、保護水域圍油欄和外海圍油欄；按其布置方式可分為：固油欄、掃油板、導油柵和集油器；按使用情況可分為：移動布放型圍油欄、永久布放型圍油欄和應急型圍油欄；按包布材料可分為：橡膠圍油欄、PU圍油欄、PVC圍油欄、網式圍油欄和金屬或其他材料制成的金屬或其他圍油欄；按用途可分為：一般用途圍油欄和特殊用途圍油欄，例如：吸油圍油欄、防火圍油欄、岸灘式圍油欄和堰式圍油欄均為特殊用途圍油欄[5]。

目前，我國一般按圍油欄的使用性能進行分類：普通圍油欄（充氣式和固體浮子式[6]）和防火圍油欄。

對應我國有關部門所采用的圍油欄分類，具體類型圍油欄的基本結構如下：

（1）充氣式圍油欄的結構

充氣式圍油欄上部設有規(guī)范的氣囊，氣囊之間一般互不相通。氣囊下面則是圍油欄的主體，它是一條內夾纖維的耐油膠帶，并在水上和水下形成隔油屏障。充氣式圍油欄一般每100或200m為一組。

（2）固體浮子式圍油欄的結構

固體浮子式圍油欄由浮子、裙體、配重、接頭、脊繩和柔性段等組件組成，一般每20m一組。圍油欄的浮子為PVC包布內夾固體泡沫，浮子之間通過柔性段連接。

（3）防火型圍油欄的結構

防火型圍油欄由水上耐火部分、水下裙體、配重鏈、縱向受力件和接頭構成。水上耐火部分的浮體采用耐熱防銹的高合金結構鋼浮體。柔性段采用耐熱金屬絲網、防火纖維編織布等材料組成，柔性段用螺栓和壓板與浮子連接。水下裙體則采用雙層高強度織物涂覆優(yōu)質阻燃橡膠。配重鏈方面采用鍍鋅高強鏈條包覆在橡膠裙體的底部。

Oil Spill Response Catalog為了幫助用戶在做溢油應急計劃時選擇合適的圍油欄，對其進行了分類[7]。

Fence boom（柵欄式圍油欄）

由自支持或浮體支持的加強件構成的圍油欄，沒有配重鏈，隨波性能比較差。

Curtain boom （幕式圍油欄）

采用充氣浮腔作為浮體的圍油欄，如壓力充氣式圍油欄和自充氣式圍油欄。

external tension boom （外張力式圍油欄）

通過外張力件和拉索來維持圍油欄姿態(tài)并承受圍油欄拉力的圍油欄。

Tidal seal boom （潮間帶攔油索）

上部充氣、下部注水型式攔油索。適用于潮間帶，浮時對稱，可坐于沙灘上及伴隨潮水起落而不會傾倒。

3 國內外研究現狀

在實驗基礎上進行的研究不僅浪費人力、物力和財力，而且由于實際條件的限制，實驗環(huán)境無法與海上水文環(huán)境相比擬。隨著人們對風、浪、流的研究逐漸深入以及計算機應用技術的突飛猛進，人們不再依賴于實驗來設計和測試圍油欄，而通過數值模擬的方式來研究。

H·M·Brown、C-F.AN和R·H·Goodman等人[8，9，10]模擬了圍油欄的攔油失效問題。FANG和SELIM等人[11，12，13]模擬了風浪流作用下圍油欄的攔油效果；FANG等人模擬實際海域固體欄板攔油效果，探討了波浪、水流對界面波的影響。在風海流的影響下，傳統結構的圍油欄在海況較差時不能發(fā)揮應有的作用，而一味地增加欄深，水流和波浪會導致圍油欄發(fā)生形變。為此，J·M·Lo、K·H·Kang和Cho N·S等人提出了雙體圍油欄結構，并用拉格朗日粒子追蹤法驗證出雙體圍油欄欄間距為8倍左右欄深時，其攔油效果較好。

林建國等人對圍油欄內不均勻溢油遷移擴散問題進行了解析求解，并通過FLUENT模擬了水平均勻流作用下圍油欄夾帶使用失效、流失失效和臨界累積失效模式，對圍油欄也進行了簡化且未考慮波浪的影響。張承懿等人對波流作用下圍油欄有效深度的研究填補了我國關于波流作用下的圍油欄相關研究的空白。

魏芳使用VOF方法，模擬了傳統單體實心圍油欄的攔油失效過程，并在此基礎上對其形狀進行優(yōu)化，得到18種不同類型的圍油欄。在邊界條件相同的情況下，對優(yōu)化的圍油欄分別進行了數值模擬。王緒勝等人對傳統型圍油欄攔油失效的原因進行分析，提出了新型結構——具有導流層結構的圍油欄，并利用Fluent進行了數值模擬。孫添虎進行了多相流（氣-液-液）的數值模擬，具體分析研究了網-柵結構圍油欄高度、底網長度、攔網孔隙率等對攔油效果的影響。針對不同的海況，王建偉實現了圍油欄在受船舶牽引狀態(tài)下的隨動模擬，為不同結構圍油欄的優(yōu)化選擇提供了依據。endprint

4 結束語

近年來，國內海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中，應繼續(xù)加大對不同結構圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數值實驗平臺下進行更貼近真實海況的數值模擬計算，這將為改進圍油欄技術提供理論依據。

參考文獻

[1]魏芳，林建國，許穎.圍油欄研制的歷史、現狀及數值模擬的應用展望[C].船舶防污染學術年會論文集，2006.

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[7]Oil Spill Response Catalog. World catalog of oil spill response products， 2005.

[8]H.M.Brown， R.H.Goodman， C-F.AN， & J.Bittner， Boom Failure Mechanisms： Comparison of Channel Experiments with Computer Modelling Results， Spill Science& Technology Bulletin， Vol.3， No.4， pp.217-220， 1996

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[11]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： I： Numerical Model. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 222-227.

[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者簡介：曹瑩（1988，2-），男，籍貫：江蘇泰興，碩士，研究方向：船舶輔機。endprint

4 結束語

近年來，國內海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中，應繼續(xù)加大對不同結構圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數值實驗平臺下進行更貼近真實海況的數值模擬計算，這將為改進圍油欄技術提供理論依據。

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[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者簡介：曹瑩（1988，2-），男，籍貫：江蘇泰興，碩士，研究方向：船舶輔機。endprint

4 結束語

近年來，國內海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中，應繼續(xù)加大對不同結構圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數值實驗平臺下進行更貼近真實海況的數值模擬計算，這將為改進圍油欄技術提供理論依據。

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[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者簡介：曹瑩（1988，2-），男，籍貫：江蘇泰興，碩士，研究方向：船舶輔機。endprint