海上溢油跟蹤定位浮標(biāo)參數(shù)分析及技術(shù)優(yōu)化研究

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(1.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院,北京 100088;2.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026)

對(duì)溢油進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，準(zhǔn)確掌握溢油運(yùn)動(dòng)的位置、速度和方向是妥善處理溢油事故的前提，通常采用的方法是漂流浮標(biāo)跟蹤油膜。國(guó)內(nèi)外關(guān)于溢油模型的研究已經(jīng)開(kāi)展了多年。2004年國(guó)家863項(xiàng)目成果“小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)”在青島近海海域進(jìn)行海上布放和試驗(yàn)，標(biāo)志著浮標(biāo)的性能通過(guò)考驗(yàn)，但該浮標(biāo)體積大，主要用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，不適用于海上溢油的漂移跟蹤[1-3]。如果能在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)隨浮標(biāo)參數(shù)影響的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，就能夠根據(jù)不同水域的地理位置、海況、溢油油膜性質(zhì)等參數(shù)對(duì)適用的跟蹤浮標(biāo)參數(shù)進(jìn)行定量分析，對(duì)溢油浮標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及準(zhǔn)確跟蹤溢油都具有實(shí)際意義。

1 溢油浮標(biāo)的水動(dòng)力分析

1.1 漂移模型

油膜在海面上漂移主要受到海面洋流和風(fēng)力的共同作用，溢油模型中溢油漂移速度可被定義為表層潮流速度和距海面10 m處風(fēng)速百分率ζ的矢量和[4]，即

v0=vc+ζv10

(1)

式中：v0——溢油漂移速度;

vc——表層潮流速度;

v10——距海面10 m處風(fēng)速，ζ為風(fēng)系數(shù)，通常經(jīng)由海上實(shí)測(cè)的方式獲得。

1.2 等效風(fēng)速

海面附近的風(fēng)受海面的摩擦作用，風(fēng)速的鉛直方向上的分布是不均勻的，這里采用等效風(fēng)速的概念：對(duì)于受風(fēng)高度為h的模型，受到的等效風(fēng)速取迎風(fēng)輪廓形心高度的風(fēng)速[5]，其等效風(fēng)速可表示為

(2)

式中：va——等效風(fēng)速;

h——海面模型受風(fēng)高度。

1.3 海流速度

表層海流的速度是潮流速度和風(fēng)生流的矢量和，在垂直方向上，該速度是一個(gè)變量，本文采用表面流速代替作用在浮標(biāo)上的海流流速，海流流速可表示為

vwater=vc+αv10

(3)

式中：vwater——表層海流的速度;

α——風(fēng)生流系數(shù)[6]，計(jì)算公式O為

(4)

式中：θ——海流緯度。

1.4 水動(dòng)力平衡方程

在表層海水中溢油浮標(biāo)受到來(lái)自水面以上海風(fēng)的作用力和水面以下海水的作用力的共同作用。溢油浮標(biāo)完全跟蹤溢油油膜，是指溢油浮標(biāo)與油膜相同速度運(yùn)動(dòng)，并且浮標(biāo)達(dá)到受力平衡。

1.4.1 海水對(duì)浮標(biāo)的作用力

海水對(duì)溢油浮標(biāo)的作用力可表示為

(5)

式中：Fwater——海水對(duì)浮標(biāo)的作用力;

ρwater——海水的密度;

A1——迎水面積;

CDc——浮標(biāo)的海水阻力系數(shù)。

1.4.2 風(fēng)對(duì)浮標(biāo)的作用力

風(fēng)對(duì)溢油浮標(biāo)的作用力可表示為

(6)

式中：Fair——風(fēng)對(duì)浮標(biāo)的作用力;

ρa(bǔ)ir——海面空氣的密度;

vair——海面風(fēng)速;

A2——迎風(fēng)面積;

CDa——浮標(biāo)的空氣阻力系數(shù)。

其中，風(fēng)速vair的鉛直分布可表示為

(7)

式中：h——浮標(biāo)水面以上高度。

顯然等效相對(duì)風(fēng)速的方向與風(fēng)向相同。

1.4.3 浮標(biāo)受力平衡

當(dāng)浮標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受到的海水阻力與風(fēng)推力平衡[7]，得

ρwater[(ζ-α)v10]2A1CDc=ρa(bǔ)ir(vair-v0)2A2CDa

(8)

因?yàn)棣?ζ<1，進(jìn)一步整理得到

(9)

(10)

2 溢油浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)水動(dòng)力平衡方程，空氣和海水的密度可以根據(jù)溫度(本文計(jì)算溫度為15 ℃)查出；迎水面積A1、迎風(fēng)面積A2和水面高度h根據(jù)可根據(jù)浮標(biāo)的幾何尺寸計(jì)算；浮標(biāo)阻力系數(shù)CDc、CDa的計(jì)算是用數(shù)值模擬的方法計(jì)算得出，每次計(jì)算分為水上部分與水下部分，首先在Gambit中劃分網(wǎng)格，然后導(dǎo)入到Fluent中計(jì)算。得到各參數(shù)后帶入式(10),即可得到浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)。

2.1 迎水面積、迎風(fēng)面積和水面高度

圖1為球形浮標(biāo)漂浮于水面。

圖1 球形浮標(biāo)示意

2.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件建立各個(gè)浮標(biāo)水上部分及水下部分模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2、3為球形浮標(biāo)水上部分和水下部分網(wǎng)格劃分。

圖2 球形浮標(biāo)水上部分網(wǎng)格劃分

2.3 模型計(jì)算

利用Fluent軟件計(jì)算浮標(biāo)水上部分和水下部分的阻力系數(shù)。圖4、5為球形浮標(biāo)水上部分和水下部分計(jì)算模型。

圖5 球形浮標(biāo)水下部分計(jì)算模型

3 浮標(biāo)水動(dòng)力特性曲線

為了解在不同尺寸、重量、海域位置等關(guān)鍵參數(shù)的影響下浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)的變化規(guī)律，本文計(jì)算球形浮標(biāo)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 浮標(biāo)參數(shù)匯總表

注：研究海域?yàn)榇筮B灣和深圳灣

經(jīng)計(jì)算，繪制球形浮標(biāo)在大連灣、深圳灣的風(fēng)系數(shù)變化曲線，見(jiàn)圖6、7。

圖6 大連灣球形浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)變化

圖7 深圳灣球形浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)變化

4 研究分析

1)我國(guó)沿海海域浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)的大致范圍是0.02～0.07。在不同的溢油事故中測(cè)得的數(shù)據(jù)表明，油膜的風(fēng)系數(shù)的取值不是惟一的，大致范圍是0.02～0.05[8]。由此得出，針對(duì)某一穩(wěn)定海況和油膜，總是可以通過(guò)優(yōu)化浮標(biāo)參數(shù)與溢油風(fēng)系數(shù)的特定組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油的完全跟蹤。

2)對(duì)于某一特定尺寸的浮標(biāo)而言，隨著浮標(biāo)重量的增大，浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)逐漸減小。例如：直徑為300 mm的浮標(biāo)在大連灣使用，浮標(biāo)重6 kg時(shí)，其風(fēng)系數(shù)為0.038 9;當(dāng)浮標(biāo)重量是12 kg時(shí)，其風(fēng)系數(shù)是0.020 3。這意味著浮標(biāo)質(zhì)量越大，越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)小的油膜：反之，浮標(biāo)質(zhì)量越小，越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)大的油膜。

3)對(duì)于某一特定質(zhì)量的浮標(biāo)而言，隨著浮標(biāo)尺寸的增大，浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)逐漸增大。例如：重量為10 kg的浮標(biāo)在深圳灣使用時(shí)，當(dāng)浮標(biāo)直徑為300 mm時(shí)，其風(fēng)系數(shù)為0.024 3;當(dāng)浮標(biāo)直徑為350 mm時(shí)，其風(fēng)系數(shù)為0.037 3。這意味著浮標(biāo)尺寸越大，越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)大的油膜：反之，浮標(biāo)尺寸越小，越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)小的油膜。

4)浮標(biāo)的風(fēng)系數(shù)與海域位置(緯度)有關(guān)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同一種浮標(biāo)在不同緯度海域的風(fēng)系數(shù)不同。同尺度同重量條件下，浮標(biāo)所處緯度越大，浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)越小。例如，直徑為300 mm、重量為7 kg的浮標(biāo)，在大連灣使用其風(fēng)系數(shù)為0.033 8，在深圳灣使用其風(fēng)系數(shù)為0.038 5。

5 結(jié)束語(yǔ)

海上溢油跟蹤定位浮標(biāo)具有全天候使用和全過(guò)程監(jiān)測(cè)能力，是一種海上溢油實(shí)時(shí)追蹤監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定、可靠、成本低廉的技術(shù)方法，也是海上溢油事故應(yīng)急快速反應(yīng)的一個(gè)有效手段。本文研究成果可為溢油跟蹤浮標(biāo)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化、海上溢油跟蹤、溢油漂移軌跡預(yù)報(bào)及相關(guān)分析方面提供技術(shù)依據(jù)。

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