圍油欄現(xiàn)狀與數(shù)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(shè)備。文章介紹了圍油欄的發(fā)展歷程，并對其特性、種類和結(jié)構(gòu)做了較為詳盡的綜述。結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對今后圍油欄數(shù)值模擬的方向做出進(jìn)一步的分析與展望。

關(guān)鍵詞：圍油欄；數(shù)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(jìn)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(yīng)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(jì)30年代或更早一些。最初它僅作為應(yīng)急設(shè)備，主要配備于煉油廠、儲油基地等場所。直到上世紀(jì)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(nèi)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(xué)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(jié)構(gòu)

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(fēng)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(yīng)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(tǒng)一分類。按浮體結(jié)構(gòu)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(hù)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(dǎo)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(yīng)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(wǎng)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(jìn)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(yīng)我國有關(guān)部門所采用的圍油欄分類，具體類型圍油欄的基本結(jié)構(gòu)如下：

（1）充氣式圍油欄的結(jié)構(gòu)

充氣式圍油欄上部設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)

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(nèi)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(jié)構(gòu)

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(gòu)成。水上耐火部分的浮體采用耐熱防銹的高合金結(jié)構(gòu)鋼浮體。柔性段采用耐熱金屬絲網(wǎng)、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(qiáng)度織物涂覆優(yōu)質(zhì)阻燃橡膠。配重鏈方面采用鍍鋅高強(qiáng)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(yīng)急計劃時選擇合適的圍油欄，對其進(jìn)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(qiáng)件構(gòu)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

在實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究不僅浪費(fèi)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(fēng)、浪、流的研究逐漸深入以及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們不再依賴于實驗來設(shè)計和測試圍油欄，而通過數(shù)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(fēng)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(fēng)海流的影響下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圍油欄在海況較差時不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，而一味地增加欄深，水流和波浪會導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(nèi)不均勻溢油遷移擴(kuò)散問題進(jìn)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(jìn)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(bǔ)了我國關(guān)于波流作用下的圍油欄相關(guān)研究的空白。

魏芳使用VOF方法，模擬了傳統(tǒng)單體實心圍油欄的攔油失效過程，并在此基礎(chǔ)上對其形狀進(jìn)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(jìn)行了數(shù)值模擬。王緒勝等人對傳統(tǒng)型圍油欄攔油失效的原因進(jìn)行分析，提出了新型結(jié)構(gòu)——具有導(dǎo)流層結(jié)構(gòu)的圍油欄，并利用Fluent進(jìn)行了數(shù)值模擬。孫添虎進(jìn)行了多相流（氣-液-液）的數(shù)值模擬，具體分析研究了網(wǎng)-柵結(jié)構(gòu)圍油欄高度、底網(wǎng)長度、攔網(wǎng)孔隙率等對攔油效果的影響。針對不同的海況，王建偉實現(xiàn)了圍油欄在受船舶牽引狀態(tài)下的隨動模擬，為不同結(jié)構(gòu)圍油欄的優(yōu)化選擇提供了依據(jù)。endprint

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內(nèi)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(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實驗平臺下進(jìn)行更貼近真實海況的數(shù)值模擬計算，這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]魏芳，林建國，許穎.圍油欄研制的歷史、現(xiàn)狀及數(shù)值模擬的應(yīng)用展望[C].船舶防污染學(xué)術(shù)年會論文集，2006.

[2]魏芳，劉曉峰，林建國，等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].交通環(huán)保，2007，7：39-44.

[3]任海舟.針織物抗油污染整理研究[J].針織工業(yè)，1998.

[4]許祖美.日本的海洋污染防治技術(shù)[J].海洋環(huán)境科學(xué)，1986.

[5]Oebius， H.u. Physical properties and processes that influence the clean-up of oil spills in the marine environment. Spill Science & Technology Bulletin，1999， 5（3-4）：177-289.

[6]凌曉光.勝利埕島油田如何布設(shè)圍油欄回收溢油方法中的溢油回收率[J].西南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003.

[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

[9]R.H.Goodman， H.M.Brown， C-F.AN，&R.D.Rowe， Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics， Spill Science&Technology Bulletin， Vo1.3.No.4. pp.213-216， 1996

[10]C-F.AN， H.M.Brown， R.H.Goodman，&E.Clavelle， Animation of Boom Failure Processes， Spill Science & Technology Bulletin， Vo1.3.No.4， pp.22I-224， 1996

[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(jī)。endprint

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內(nèi)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(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實驗平臺下進(jìn)行更貼近真實海況的數(shù)值模擬計算，這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2]魏芳，劉曉峰，林建國，等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].交通環(huán)保，2007，7：39-44.

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[10]C-F.AN， H.M.Brown， R.H.Goodman，&E.Clavelle， Animation of Boom Failure Processes， Spill Science & Technology Bulletin， Vo1.3.No.4， pp.22I-224， 1996

[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(jī)。endprint

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā)，包括渤海灣溢油在內(nèi)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(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實驗平臺下進(jìn)行更貼近真實海況的數(shù)值模擬計算，這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2]魏芳，劉曉峰，林建國，等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].交通環(huán)保，2007，7：39-44.

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[9]R.H.Goodman， H.M.Brown， C-F.AN，&R.D.Rowe， Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics， Spill Science&Technology Bulletin， Vo1.3.No.4. pp.213-216， 1996

[10]C-F.AN， H.M.Brown， R.H.Goodman，&E.Clavelle， Animation of Boom Failure Processes， Spill Science & Technology Bulletin， Vo1.3.No.4， pp.22I-224， 1996

[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(jī)。endprint