基于FLUENT網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄攔油特性數(shù)值實(shí)驗(yàn)

戴明權(quán)，鄭學(xué)林

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引 言

圍油欄是一種防止溢油擴(kuò)散、縮小溢油面積的有效工具，當(dāng)海上發(fā)生溢油事故后，可用圍油欄把溢油區(qū)域圍住，防止油層擴(kuò)散，便于及時(shí)回收和清除溢油。進(jìn)行圍油欄攔油作業(yè)時(shí)，通常會遇到比較復(fù)雜的海洋環(huán)境，從而對攔油過程及攔油效果有顯著的影響。研究表明，主要有三種攔油失效形式：油滴夾帶失效、油層流失失效和臨界累積失效。近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對圍油欄展開一系列研究：于桂峰等人利用FLUENT軟件研究了單、雙體圍油欄的適用條件，發(fā)現(xiàn)水流速度0.2m/s時(shí)雙體圍油欄的攔油能力相對提升率達(dá)2.66667[1]；寧成浩對圍油欄攔油失效的過程進(jìn)行了比較深入的研究；魏芳研究了多種海況下圍油欄的形狀對攔油效果的影響，并對圍油欄的形狀進(jìn)行了優(yōu)化[2]。鑒于單體圍油欄的一些缺點(diǎn)，提出了雙體圍油欄、網(wǎng)–柵圍油欄等新型結(jié)構(gòu)的圍油欄，提高了攔油效果。

本文采用CFD軟件FLUENT對網(wǎng)-柵結(jié)構(gòu)圍油欄的攔油特性進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析不同條件對其攔油能力的影響，為該圍油欄的有效應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

為研究網(wǎng)-柵結(jié)構(gòu)圍油欄的攔油特性，其控制方程為基于不可壓縮黏性流體的 Navier-Stokes方程，方程的數(shù)值計(jì)算方法采用流體體積分?jǐn)?shù)法。

1.1 控制方程

不可壓縮黏性流體的二維Navier-Stokes方程：

流體滿足連續(xù)性方程：

式中：u、v——x，y兩個(gè)方向上的速度分量；ρ——流體密度；μ——動力黏性系數(shù)；g——重力加速度；p——壓強(qiáng)。

計(jì)算過程中使用的kε-模型為高雷諾數(shù)模型，適用于離開壁面一定距離的湍流區(qū)。在與壁面相鄰的黏性層中，湍流雷諾數(shù)很低，因此必須考慮分子黏性的影響，在壁面區(qū)使用壁面函數(shù)法進(jìn)行修正。

1.2 計(jì)算方法

不考慮風(fēng)浪影響，以對稱圍油欄的中心橫截面為研究對象，將其簡化為上邊界無摩擦力的二維油—水兩相非定常流動問題。油水兩相不互溶，故存在明顯的相界面。采用體積分?jǐn)?shù)函數(shù)跟蹤兩相界面，求解同一控制方程，計(jì)算兩相的流場分布。令表征特定流體體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)為aq，則充滿水時(shí)，定義網(wǎng)格aq=1；充滿油時(shí)，定義網(wǎng)格aq= 0，兩相界面時(shí)，aq=0 ～ 1。體積分?jǐn)?shù)連續(xù)性方程滿足：

1.3 研究對象及其邊界條件

網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄是由前網(wǎng)、底網(wǎng)和普通單體實(shí)心圍油欄組成，其中前網(wǎng)的作用在于減小實(shí)心圍油欄前的油水速度，底網(wǎng)的作用在于增強(qiáng)攔油區(qū)域的穩(wěn)定性。計(jì)算區(qū)域如圖1所示，x方向長為4.0m，深度h為0.50m，圍油欄距入口2.0m，有效深度h1為0.1m，圍油欄厚度D為0.05m。油和海水的性質(zhì)：油密度 ρ0=888kg/m3，油的運(yùn)動黏滯系數(shù)γ0=7×10-5m2/s；海水密度 ρw=1025kg/m3，海水的運(yùn)動黏滯系數(shù) γw=1.7×10-6m2/s。流體的上邊界為無摩擦自由表面，該邊界y方向速度為0；底邊界為固定無滑脫邊界，速度為0；流體從左邊界流入，入口速度為u0，右邊界為湍流充分發(fā)展的壓力出口邊界[3]；重力加速度g=–9.8m/s2。

在兩相流的模擬研究中，應(yīng)設(shè)定一個(gè)相對穩(wěn)定的單相水流場，并把該流場作為多相流計(jì)算的初始流場，然后進(jìn)行攔油數(shù)值實(shí)驗(yàn)。

圖1 圍油欄坐標(biāo)系統(tǒng)

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究

2.1 水流速度的影響

Delvigine以及安長發(fā)等人模擬的溢油臨界失效速度為0.24m/s[4]。單位長度圍油欄攔油量為0.06m3，油層厚度0.03m，長0.3m，初始狀態(tài)與圍油欄直接接觸，攔網(wǎng)孔隙率為0.6，不同流速下圍油欄攔油數(shù)值實(shí)驗(yàn)如圖2、3所示。

圖2 水流速度0.23m/s時(shí)

圖3 水流速度0.24m/s時(shí)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水流速度達(dá)到0.24m/s時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間趨于穩(wěn)定后，圍油欄開始出現(xiàn)攔油失效，即不同流速對圍油欄攔油效果影響顯著，其臨界失效速度為0.24m/s。

2.2 前網(wǎng)、底網(wǎng)孔隙率的影響

不考慮其他因素的影響，只分析孔隙率不同對攔油結(jié)果的影響，其中攔網(wǎng)孔隙率為網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄前網(wǎng)、底網(wǎng)等網(wǎng)狀附屬結(jié)構(gòu)的所有網(wǎng)孔總體積與該結(jié)構(gòu)總體積的比值。為便于計(jì)算，水流速度取0.24m/s，單位長度圍油欄攔油量為0.06m3，油層厚度 0.03m，長0.3m，初始狀態(tài)與圍油欄直接接觸，攔網(wǎng)孔隙率分別為0.1、0.5和0.9。

圖4 油層分布形狀

由圖4實(shí)驗(yàn)表明，隨著孔隙率的逐漸改變，油層的分布形狀并沒有發(fā)生太大的變化，即網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄攔網(wǎng)孔隙率的改變對圍油欄的攔油效果影響不大。

2.3 初始攔截位置的影響

水流速度0.24m/s，單位長度圍油欄攔油量為0.06m3，其他條件相同，僅僅是溢油區(qū)域相對圍油欄初始位置不同。

圖5 初始攔截位置不同

圖5數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，初始攔截位置較遠(yuǎn)時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，圍油欄出現(xiàn)了輕微的夾帶失效，即靠近圍油欄底部的溢油出現(xiàn)了溢油隨水流脫離圍油欄的情況，而初始攔截位置較近，直接與圍油欄接觸時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，圍油欄的攔油效果很理想，未出現(xiàn)攔油失效。通過物理現(xiàn)象分析，初始攔截位置較遠(yuǎn)時(shí)，溢油伴隨水流有一段行程，這樣溢油與圍油欄接觸時(shí)會有一定慣性和動量，從而導(dǎo)致油滴夾帶失效；初始攔截位置較近時(shí)，之所以未出現(xiàn)攔油失效，是因?yàn)榫W(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄前網(wǎng)和底網(wǎng)以及圍油欄之間形成的區(qū)域改變了溢油積聚存儲形狀。

由此可知，溢油區(qū)域相對圍油欄初始位置對攔油效果的影響很大，合理確定布設(shè)圍油欄的初始攔截位置，能顯著提高網(wǎng)–柵圍油欄的攔油效果。

3 結(jié) 語

利用FLUENT軟件合理模擬網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄攔油過程，并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證了圍油欄臨界失效速度，并分析了攔網(wǎng)孔隙率以及初始攔截位置對攔油結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)–柵結(jié)構(gòu)圍油欄臨界失效速度為 0.24m/s，攔網(wǎng)孔隙率對攔油結(jié)果影響甚微，而初始攔截位置則對攔油結(jié)果有顯著影響。

[1] 于桂峰，吳宛青，封 星.基于Fluent典型結(jié)構(gòu)圍油欄適用條件數(shù)值實(shí)驗(yàn)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(2): 117-120.

[2] 魏 芳.圍油欄在多種海況下攔油效果及形狀優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

[3] 王緒勝，程向新，宋修福，等.某新型結(jié)構(gòu)圍油欄的數(shù)值模擬分析[R].中國高新技術(shù)協(xié)會，2011.

[4] Delvigine G A L.Laboratory Experiments on Oil Spill Protection of a Water Intake[J].Monograph: Oil in Fresh-water, 1985:446-458.