動態(tài)斜面式撇油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬

喬衛(wèi)亮，劉立偉，祝彥兵

● （1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026；2.大連遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司，遼寧大連 116001，3.中船重工第704研究所，上海 200031）

動態(tài)斜面式撇油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬

喬衛(wèi)亮1，劉立偉2，祝彥兵3

● （1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026；2.大連遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司，遼寧大連 116001，3.中船重工第704研究所，上海 200031）

基于對現(xiàn)有動態(tài)斜面式撇油器工作原理和結(jié)構(gòu)性能的分析，提出了“雙重拖帶”的概念，即表層傳送帶的拖帶作用和底層水流的拖帶作用。結(jié)合N-S方程，對“雙重拖帶”的作用機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：“雙重拖帶”比傳統(tǒng)拖帶的作用收油效果更好，適用的溢油粘度范圍也更廣。

動態(tài)斜面式撇油器；雙重拖帶；數(shù)值模擬

1 動態(tài)斜面式撇油器工作原理及性能分析

動態(tài)斜面式（DIP）撇油器的工作原理如圖1所示。撇油器在母船的拖帶作用下在海面上前行，垃圾擋板可以阻擋海面漂浮垃圾進(jìn)入運(yùn)動斜面，在運(yùn)動斜面的帶動作用下海面浮油進(jìn)入集油器，在集油器內(nèi)部實現(xiàn)油水分離：浮油逐漸上浮，位于集油器上部空間，海水則由集油器下部的可調(diào)出口流出。聚集于集油器上部的浮油經(jīng)過吸油管，在溢油回收泵的作用下被送往母船的儲油裝置中。

動態(tài)斜面式撇油器在回收溢油的過程中能保持油膜完整，且可適應(yīng)的水流范圍為0節(jié)～5節(jié)，是目前唯一一種在圍油欄失效的情況下仍然能夠有效回收溢油的撇油器。該撇油器具有的優(yōu)勢主要為[1]：溢油回收效率高、適用溢油黏度范圍較大，在有風(fēng)浪的情況下仍具有較好的回收效果。動態(tài)斜面式撇油器基本工作原理是利用圍油欄失效過程中的“下游效應(yīng)”，通過采取措施，將其作用進(jìn)行放大，以達(dá)到溢油回收的目的。隨著放大作用的增強(qiáng)，撇油器的溢油回收速度將會不斷提高，即動態(tài)斜面式撇油器的溢油回收速度仍存在提高的空間，問題的關(guān)鍵是找到放大作用的方法和途徑。

圖1 DIP撇油器工作原理圖

2 “雙重拖帶”概念的提出

為了強(qiáng)化對海面浮油的拖帶作用，本文提出了“雙重拖帶”的概念，即海面浮油除了要受到動態(tài)斜面式撇油器運(yùn)動斜面的拖帶作用之外，還要受到浮油下方水流的拖帶作用，如圖2所示。

圖2 動態(tài)斜面式撇油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

水流對浮油的拖帶作用機(jī)理為：在撇油器殼體底部有一臺大排量水泵，利用其抽吸作用，使流入撇油器的海水沿著流道底層壁面快速流動，在運(yùn)動斜面底部與流道底層壁面之間形成了油水兩相流動，通過合理設(shè)計流道尺寸，使該流動近似層流運(yùn)動，從而在不破壞油膜的情況下，將浮油拖帶至撇油器殼體底部。運(yùn)動斜面對油膜的拖帶作用機(jī)理為：處于流道底層壁面和運(yùn)動斜面之間的油膜與運(yùn)動斜面表面形成固液兩相流動，運(yùn)動斜面將浮油拖帶至撇油器底部。在集油器中油水逐漸分離，海水被水泵排出撇油器，浮油上浮到集油器上部，當(dāng)積累至一定厚度時由油泵排至母船上的儲油裝置中。

3 雙重拖帶作用的數(shù)值模擬

3.1 傳送帶的拖帶作用

運(yùn)動斜面的傾角為θ，速度為V，忽略壁面對油層流動的影響，油層為厚度a的黏性不可壓縮流體，此時油層的流動狀態(tài)可視為定常層流流動。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

建立直角坐標(biāo)系，x軸沿傳送帶下表面，y軸垂直于傳送帶。在x軸方向上的N-S方程為：

根據(jù)模型中流體流動的特點，有如下關(guān)系：

油層的質(zhì)量力的影響可忽略不計，故在運(yùn)動斜面拖帶作用下油水兩相的N-S方程可簡化為：

式中：ρ1、ρ2分別為油相、水相的密度；μ1、μ2為油相、水相的動力粘度。下標(biāo)1表示油的參數(shù)，下標(biāo)2為水的參數(shù)。

油層的運(yùn)動為壓差剪切流，故運(yùn)動斜面處和撇油器壁面處的邊界條件為“無滑脫”，即：

在相界面處油水速度相等且剪應(yīng)力為單值，即：

利用邊界條件(7)和(8)可以直接對N-S方程(6)進(jìn)行積分求解，整理可得：

式(8)為在動態(tài)斜面拖帶作用下油相的速度方程，其中dp/dx仍未知。因為平均流速與截面積的乘積即為流量，結(jié)合式(9)即可確定dp/dx。

3.1.2 傳送帶拖動作用的數(shù)值模擬

模型中需要假設(shè)取值的參數(shù)主要有a、b、Qv1以及V，這些參數(shù)的取值應(yīng)該滿足如下關(guān)系式：

將得到的dp/dx代入式(10)，得：

設(shè)實驗對象為船用柴油，ρ1=0.9×103kg/m3，μ1=0.006 kg/(m·s)。取θ=30°，油厚a=0.03m，帶動運(yùn)動斜面的動力輪的速度取為2節(jié)～3節(jié)，取運(yùn)動斜面速度V=1.2m/s，溢油回收量為Qv1=40m3/h，則油相速度分布見圖3。

圖3 運(yùn)動斜面作用下油相的速度分布

如圖3所示，在運(yùn)動斜面的作用下，油層的速度幾乎成線性，距離斜面越遠(yuǎn)，油相的速度越小。結(jié)果表明油相的流動呈現(xiàn)了剪切流的特點，說明油相的流動是由于“內(nèi)摩擦力”引起的。

3.2 底層水流對油層的拖帶作用

3.2.1 油水分層流動數(shù)學(xué)建模

在運(yùn)動斜面與撇油器殼體傾斜底部形成的空間內(nèi)，油水相界面與運(yùn)動斜面平行，做定常層流流動[2]。設(shè)底板到運(yùn)動斜面的距離為h，油相厚度為a，則油水兩相的N-S方程分別為：

式中：p1、p2分別表示油和水的壓力；ρ1、ρ2分別表示油和水的密度；μ1、μ2分別表示油和水的動力粘度。

模型在壁面處的邊界條件認(rèn)為是“無滑脫”，即[3]：

界面處邊界條件難以確定，在實際計算中假設(shè)相界面處的速度和剪應(yīng)力為單值。板間一維流動的壓力梯度是常數(shù)，忽略油和水的質(zhì)量力，N-S方程(12)、(13)可簡化為：

對式(15)進(jìn)行積分，從而得到油相和水相的速度[4-6]分布分別為：

由于速度梯度仍未知，實際油水兩相的速度分布仍無法計算，利用流量等于平均流速乘以截面積這一關(guān)系即可解決該問題。油相和水相的平均流速分別為：

設(shè)油水兩相的總流量為Qv，流道寬度為b，平均流速與截面積的乘積即為流量，結(jié)合式(18)、(19)即可確定壓力梯度dp/dx的值。

3.2.2 油水拖帶作用的數(shù)值模擬

模擬對象仍為船用柴油，其動力黏度μ1=0.006kg/(m·s)，海水的則為μ1=0.001kg/(m·s)，油相的厚度為a=0.03m，運(yùn)動斜面距底面的距離為h=0.09m，泵的流量為Qv2=150m3/h；設(shè)收油速率為Qv1=40m3/h，流道寬度b=0.6m，則油水兩相的速度分布如圖4所示。

圖4的拖帶作用較為明顯，在沿流道高度方向上，油水兩相的平均速度明顯不同，前者呈現(xiàn)了剪切流的特點而后者呈現(xiàn)壓差流的特點，表明水相的流動主要是由于泵吸作用而導(dǎo)致的壓差所產(chǎn)生的；而油相的運(yùn)動則主要是由于水流對其產(chǎn)生的拖帶作用。

綜合前述數(shù)值模型，在運(yùn)動斜面和撇油器壁面之間的油水兩相的速度分布如圖5所示。

圖4 流道截面上油水兩相的速度分布

圖5 雙重拖帶作用下流道截面上油水兩相的速度分布

在0≤y≤0.03范圍內(nèi)是油相的速度分布情況，在雙重拖帶作用下油相的速度曲線如圖5最上方的曲線所示。圖中交點E坐標(biāo)為(0.0159，0.4289)，當(dāng)0≤y≤0.0159時，傳送帶起主要拖帶作用；當(dāng)0.0159≤y≤0.03時，水流起主要的拖帶作用， 該數(shù)值模擬結(jié)論與實際有較高的吻合度。圖中曲線也表明了增加水流拖帶的優(yōu)勢：傳統(tǒng) DIP撇油器油相速度分布如圖中曲線 CEA；增加水流拖帶作用后油層的速度明顯增大。與動態(tài)曲面式撇油器相比，也具有一定優(yōu)勢：曲線OEB為動態(tài)曲面式撇油器中油相的速度分布，增加傳送帶的拖帶作用后，尤其是在油層區(qū)間(0，0.0159)內(nèi)，油相的速度得到了提高。

4 結(jié)論

基于對動態(tài)斜面式撇油器工作原理的分析，增加了底層水流對油層的拖帶作用。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)具有雙重拖帶作用的撇油器較傳統(tǒng)的動態(tài)斜面式撇油器以及動態(tài)曲面式撇油器有一定的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了以上兩種撇油器固有的不足之處(動態(tài)曲面式撇油器在回收高粘度溢油時，如果油水混合的程度較低，其回收能力會有所下降；動態(tài)斜面式撇油器收油速率相對較低)。該論文從理論上論證了“雙重拖帶”作用的可行性，為開發(fā)新型撇油器奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

[1]Stephen Mr,Reilly J.動態(tài)斜面(DIP)式水面浮油回收技術(shù)的介紹[J]. 交通環(huán)保,2000(2):34-35.

[2]Zhang Yindong,Sun Yuqing,Hou Jiemin,et al.Design and implementation of automatic control system in the new skimmer[C]//Proceeding of 7thInternational Symposium on Test and Measurement.Beijing:International Academic Publisher Ltd.,2007,7:5879-5882.

[3]張銀東.海上溢油回收技術(shù)及裝備研究[D].大連:大連海事大學(xué),2007.

[4]張廷芳.計算流體力學(xué)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1992.

[5]溢油應(yīng)急培訓(xùn)教材編寫組.溢油應(yīng)急培訓(xùn)教程(上冊)[M].煙臺:煙臺海事局,2001.

[6]楊帆,楊昌柱,周李鑫.撇油器的原理及性能[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保,2004,30(5):27-31.

Structure Optimization and Numerical Simulation of DIP Skimmer

QIAO Wei-liang1,LIU Li-wei2,ZHU Yan-bing3
(1.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China; 2.Dalian Ocean Shipping Company,Dalian 116001,China 3.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Based on the analysis of working principle and structure performance of existing DIP (Dynamic Incline Plane) skimmer,the concept of the “dual towing” is put forward.That is the towing roles of upper belt and lower water flow.Combined with Navior-Strokes equation,the mechanism of "double towing" is numerically simulated.The results indicate that the effect of the collecting oil of the “dual towing” is better than that of traditional towing,and the applicative spilled oil viscosity range is wider.

dynamic incline plane (DIP) skimmer; dual towing; numerical simulation

U664.9

A

喬衛(wèi)亮（1986-），男，助教。主要從事船舶電液一體化，防污染設(shè)備開發(fā)。