海底管道油品泄漏速度的影響研究

王 琪，施 雯，于 湘，程麗華

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

海底管道油品泄漏速度的影響研究

王 琪，施 雯，于 湘，程麗華

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

為了預(yù)測海底管道泄漏油品的擴(kuò)散規(guī)律，解決油品泄漏后的回收處理問題，文中基于計算流體力學(xué)CFD的基礎(chǔ)，選取k-ε模型和VOF模型建立數(shù)值模擬仿真模型，根據(jù)不同泄漏速度，模擬了原油泄漏后的擴(kuò)散情況。通過不同的泄漏速度的分析可以得出：泄漏速度低時，射流持續(xù)時間短，發(fā)生在海底且橫向擴(kuò)散位移呈線性變化，泄漏速度高時射流時間長，發(fā)生位置較高，橫向擴(kuò)散位移分成三個階段：擴(kuò)散-短暫停止-擴(kuò)散。且隨著泄漏速度的增加，其對橫向位移的影響越來越小。該研究可為海底管道漏油應(yīng)急預(yù)報系統(tǒng)提供理論參考。

海底管道；數(shù)值模擬；泄漏；橫向位移；擴(kuò)散

我國有綿長的海岸線，海洋油氣資源也十分豐富，因此與海洋相關(guān)的油氣事業(yè)也在蓬勃發(fā)展中，對海中的油氣設(shè)備要求比陸上油氣設(shè)備更復(fù)雜，安全可靠性的要求也更高[1]。

目前海底管線泄漏的預(yù)測，國外，其中Fay研究了平靜海洋的溢油擴(kuò)散模型,假定油膜擴(kuò)散始終保持圓形。Hirst[2]（1972）年做了三維浮射流實驗，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了有水流作用下垂直浮射流軌跡實驗值。Milgram[3]（1983）和Fannelop[4]（1991）等模擬了無水流情況下的因水下油井井噴事故產(chǎn)生的垂直浮射漏油；Yapa[5]等提出了一種三維數(shù)學(xué)模型研究水下的油品浮射流。國內(nèi)，近期多采用VOF[6]模型，其中李大全[7]進(jìn)行了成品油管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律分析。石龍[8]進(jìn)行了水下埋地管道泄漏數(shù)值模擬。符澤第[9]做了河流穿越管道小孔泄漏數(shù)值模擬。陳家悅[10]進(jìn)行了水流環(huán)境下海底管道溢油軌跡數(shù)值模擬。但其影響因素存在多個方面，包括水的流速、油品泄漏的速度、油品的密度、泄漏口的大小等，其中油品泄漏的速度是一個非常重要的影響因素。不同泄漏速度其擴(kuò)散影響規(guī)律不同。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文建立海底管道泄漏二維數(shù)值模型，水槽的模型尺寸為長（x軸方向）20 m,深（y軸方向）10 m,假定泄漏口位于管道上方，距原點坐標(biāo)5 m,泄漏口的直接設(shè)為D。通過泄漏管道的二維模型可知，整個計算區(qū)域一共可以分為三部分，為了讓模擬更為準(zhǔn)確，整個水槽皆采用三角型網(wǎng)格劃分。

圖1 泄漏管道二維模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程 不可壓縮粘性流體的控制方程如下：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：xi為笛卡爾坐標(biāo)；ui為方向速度分量，m/s；i，j=1，2，表示二維流動。

（2）動量守恒方程

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；fj為流體在i方向的單位質(zhì)量力；p為壓強(qiáng)，Pa；μ為流體的動力黏性系數(shù)，kg/（m·s）。

（3）不可壓縮粘性流體的k-ε模型方程：

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項，kg/（m·s3）；μt為流體的湍動黏性系數(shù)，Pa·s；κ為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3。

C1ε，C2ε，Cμ，σκ和σε為常數(shù)，取值為C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。

1.2.2 邊界條件 計算區(qū)域邊界條件如下：

左側(cè)水流入口：

式中：u，v，w分別為x，y，z方向的速度，m/s；κa為進(jìn)口處湍動能，m2/s2；εa為進(jìn)口處湍動能的耗散率，m2/s3；h為水槽水深，m。

右側(cè)出口：

自由表面：

泄漏口處：

式中：κom為溢油口中心處湍動能，m2/s2；εom為溢油口中心處湍動能的耗散率，m2/s3；Δh為距溢油口中心的水平距離，m；κo為相應(yīng)位置的湍動能，m2/s2；εo為相應(yīng)位置湍動能的耗散率，m2/s3。

壁面邊界：

式中：uw，vw和 ww分別為壁面附近 x，y，z方向的速度，m/s；

壁面處流速小、雷諾數(shù)小，所以采用FLUENT自帶的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

2 算例及結(jié)果分析和驗證

2.1 算例及結(jié)果分析

原油和水的性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 原油和水的性質(zhì)參數(shù)

模擬條件：泄漏口的孔徑D為0.1 m,泄漏的速度為2 m/s，10 m/s，20 m/s,海水的流動速度為0.5 m/s。每0.5 s顯現(xiàn)一次。

圖2 不同泄漏速度下油品擴(kuò)散圖

由圖2可以看出，油品從泄漏口處在壓力的作用下迅速地流出，形成較為規(guī)則的射流。在水流和水的浮力雙重作用下向右上方遷移，并在左右兩側(cè)形成兩個方向不同的原油漩渦，左側(cè)為逆時針，左側(cè)為逆時針，且隨著時間的推移，左側(cè)的漩渦開始散亂并變成大小不一的小油滴，而且整體向右遷移，右側(cè)的漩渦不斷變大。泄漏較長時間后，不規(guī)則小油滴越來越多，油品的射流狀被破壞散亂在水中。但從不同泄漏速度來看在10 m/s和20 m/s時，即相對高速時這個擴(kuò)散過程十分明顯，而泄漏速度在2 m/s時，這一過程不夠典型，且水速這時的影響對擴(kuò)散更大，并且在2 s時射流斷掉,而10 m/s和20 m/s時，射流斷掉時間分別為3.5 s和4 s。所以泄漏速度越大，射流斷掉的時間越久,泄漏速度在2 m/s時,射流在靠近海床的位置就斷開并開始擴(kuò)散且分散油滴較小。隨著速度的增加，射流其速度越大越靠近海面才發(fā)生射流斷開，分散液滴也越大。

圖5 不同泄漏速度油品擴(kuò)散位置坐標(biāo)的變化

表2 油品泄露的橫向位移表

從圖5可以看出泄漏速度對水平擴(kuò)散的影響。在泄漏速度較慢時，水平位移隨時間增加而增加，與直線非常接近。但當(dāng)泄漏速度很快的情況下，橫向位移隨時間前期擴(kuò)散迅速，呈線性變化，中期有一個穩(wěn)定期但是很短，之后又快速擴(kuò)散。最后射流斷掉。

圖6 同一時間不同泄漏速度擴(kuò)散曲線圖

對于同一時間不同泄漏速度來說，泄漏速度10m/s是2 m/s的5倍。泄漏速度20 m/s是10 m/s的2倍，但是從斜率來看，10 m/s到20 m/s的斜率是要緩于2 m/s到10 m/s的斜率。所以可以推斷出隨著泄漏速度的增加，其水平擴(kuò)散位移變化會越來越緩。隨著流速的增加，其增加的影響表現(xiàn)越微弱。

2.2 數(shù)值驗證

以Hirst進(jìn)行的浮射流實驗作為依據(jù)，通過對比不分層流動環(huán)境工況下垂直浮射流軌跡實驗值，得到數(shù)值結(jié)果和實驗值在溢油口附近吻合很好，較遠(yuǎn)處模擬在實驗值周圍波動；數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)果趨勢較符合。總體上，模擬結(jié)果與Hirst的實驗結(jié)果較吻合，因此采用該泄漏數(shù)值模型模擬是有效的。

3 結(jié)論

（1）泄漏速度低時，射流主要在海底并很快斷開，最終分散在海水中并且分散油滴較小。泄漏速度高時，射流可達(dá)到較高的位置甚至到達(dá)海平面，且射流持續(xù)時間較長，分散油滴較大。

（2）泄漏速度低時，橫向擴(kuò)散位移的變化接近線性，泄漏速度高時，橫向位移隨時間前期擴(kuò)散迅速，呈線性變化，中期有一個穩(wěn)定期但是很短，之后又快速擴(kuò)散。最后射流斷掉。

（3）隨著泄漏速度的增加，其水平擴(kuò)散位移變化會越來越緩。隨著流速的增加，其增加的影響表現(xiàn)越微弱。

[1]施益強(qiáng)，陳玲海.上溢油事故應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)框架的研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),2003，22（2）：40-43.

[2]Hirst E.Buoyant jets with three-dimensionatrajectories[J].J Hydraul Div,1972，98（11）：1999-2014.

[3]MilgramJ H.Mean flowin round bubble plumes[J].J Fluid Mech,1983,133:345-376.

[4]Fannelop T K,Horschberg S,Kuffer J.Surfacecurrent and recirculating cells generated by bubble curtains and jects[J].J Fluid Mech, 1991,229:629-657.

[5]Yapa P D,ZhengLi.Simulation ofoil spills from underwater accidents:I Model development[J].Journal ofHydraulic Research,1997,35（5）:673-687.

[6]朱紅鈞,林元華,謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[7]李大全,姚安林.成品油管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律分析[J].油氣儲運(yùn),2006,25(8):18-24.

[8]石龍,馬貴陽,王鑫，等.水下埋地管道泄漏數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工,2014，43（1）:153-155.

[9]符澤第,蘭惠清,張永龍，等.河流穿越管道小孔泄漏數(shù)值模擬[J].油氣儲運(yùn),2014，33（1）:10-14.

[10]陳家悅,王永學(xué).水流環(huán)境下海底管道溢油軌跡數(shù)值模擬[J].油氣儲運(yùn),2015，34（10）:1124-1130.

Research on the Influence Factors of the Oil Spill Velocity of Submarine Pipelines

WANG Qi,SHI Wen,YU Xiang,Cheng Li-hua
Gangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,Gangdong Province,China

In order to predict the diffusion law of submarine oil pipeline leakage,it is needed to solve the recycling problem after oil pipeline leakage.Based on CFD,the k-epsilon model and the VOF model are selected to set up the numerical simulation model.According to different leaking speeds,this paper simulates the diffusion situation after oil spill.The results of different leakage speeds show that,when the leaking velocity is slow,the time of jet flow is short and it spreads at the bottom of the sea,with lateral displacement occurring in a linear change.When the leak velocity is fast,in contrast,the time of jet flow is long,the position is higher,and lateral diffusion displacement is divided into three stages:diffusion,a brief stop,and diffusion.With the increase of leakage velocity,its influence on lateral displacement is becoming weaker.The results of this research can provide a theoretical reference for the establishment of an emergency prediction system for leakage accidents of submarine oil pipelines.

submarine oil pipeline;numerical simulation;leakage;lateral displacement;diffusion

TE835

A

1003-2029（2017）02-0101-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.017

2016-09-29

廣東省自然科學(xué)基金資助項目（915006）；茂名市科技計劃資助項目（2014076，201534）

王琪(1982-)，女，碩士，講師，主要從事油品擴(kuò)散方向的研究工作。E-mail：13790914645@163.com