雙殼油船破艙原油泄漏縮尺模型相似準(zhǔn)則

盧金樹(shù), 吳豪霄, 楊振波

(浙江海洋大學(xué) 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

2017-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)面上項(xiàng)目(51079129)；浙江省自然基金(LY18E090008)

盧金樹(shù)(1974—),男,浙江象山人,教授,從事船舶安全與污染控制研究。E-mail:ljs_ljs@zjou.edu.cn

1000-4653(2017)03-0103-06

雙殼油船破艙原油泄漏縮尺模型相似準(zhǔn)則

盧金樹(shù), 吳豪霄, 楊振波

(浙江海洋大學(xué) 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

為使雙殼油船原油泄漏縮尺模型試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)地反映事故原型，需確定各相似準(zhǔn)則的重要程度。針對(duì)油艙原油泄漏過(guò)程，基于相似理論，采用量綱分析的方法推導(dǎo)較完整的相似準(zhǔn)則數(shù)群，根據(jù)不同相似準(zhǔn)則的組合建立3種縮尺模型。進(jìn)行原型和不同相似準(zhǔn)則縮尺模型的數(shù)值試驗(yàn)，并根據(jù)相似關(guān)系將縮尺模型試驗(yàn)的泄漏持續(xù)時(shí)間、泄漏總量等宏觀泄漏特征參數(shù)反推回原型，與原型數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。采用黏性流體動(dòng)力學(xué)理論分析各種作用力對(duì)泄漏過(guò)程的影響。結(jié)果表明:弗汝德相似準(zhǔn)則和雷諾相似準(zhǔn)則是原油泄漏縮尺模型試驗(yàn)必須依據(jù)的準(zhǔn)則，韋伯相似準(zhǔn)則可不予考慮。在試驗(yàn)油品和原油密度相同的情況下，縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果與原型最為接近。針對(duì)不同泄漏階段，應(yīng)采用不同的縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)。

船舶工程;縮尺模型；相似準(zhǔn)則；原油泄漏；雙殼油船；黏性流體動(dòng)力學(xué)

在原油泄漏研究中，原油泄漏規(guī)律的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)是研究者關(guān)注的兩大工程問(wèn)題之一。[1-2]針對(duì)該問(wèn)題，通常采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行研究。由于油品泄漏涉及到的流動(dòng)行為復(fù)雜多樣，采用理論分析方法時(shí)需對(duì)泄漏預(yù)測(cè)模型進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，導(dǎo)致模型精度不高。大尺度模型試驗(yàn)?zāi)艿玫捷^為真實(shí)的原油泄漏規(guī)律，但大尺度模型艙的制作成本較高，且原油泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。[3]因此，通常采用小尺度縮尺模型試驗(yàn)的方法研究原油泄漏規(guī)律。[4-7]縮尺模型試驗(yàn)的精度主要受以下3個(gè)因素影響：

1) 確定原油泄漏過(guò)程的主導(dǎo)力，選取合理的相似準(zhǔn)則。

2) 選取表征泄漏特征的特征長(zhǎng)度。

3) 選取適當(dāng)大小的縮尺比。

關(guān)鍵作用力的相似準(zhǔn)則缺失、表征泄漏特征的特征長(zhǎng)度選擇錯(cuò)誤及縮尺比過(guò)小都有可能引發(fā)縮尺效應(yīng)。根據(jù)建立縮尺模型所依據(jù)的相似準(zhǔn)則分類，采用的縮尺模型主要有弗汝德相似準(zhǔn)則模型(以下簡(jiǎn)稱Fr模型)和弗汝德-雷諾相似準(zhǔn)則模型(以下簡(jiǎn)稱Fr-Re模型)2種。

Fr模型是早期的原油泄漏模型試驗(yàn)中采用的縮尺模型，主要用來(lái)探究雙殼油船和中層甲板油船的阻漏效果。[8-9]由于Fr模型只考慮重力的相似，忽略黏性力的相似，不可避免地會(huì)產(chǎn)生縮尺效應(yīng)。[8]此外，由于原油泄漏過(guò)程中存在流動(dòng)變態(tài)行為，在舷側(cè)破艙原油泄漏的密度差流階段[10-11]，油品泄漏的動(dòng)力并非重力。在這種情形下，F(xiàn)r模型就不能真實(shí)地反映原型的泄漏過(guò)程。

考慮到黏性力未相似會(huì)引發(fā)縮尺效應(yīng)，文獻(xiàn)[12]針對(duì)單殼油船原油泄漏情形，提出同時(shí)考慮重力和黏性力相似的Fr-Re模型。該縮尺模型是在滿足Fr相似的前提下，選取特定黏度的油品進(jìn)行試驗(yàn)，使模型的雷諾數(shù)與原型相等。當(dāng)縮尺比較大時(shí)，難以找到黏度符合要求的油品[13]，使得該模型具有一定的局限性，而且忽略了表面張力和浮力，采用該模型進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)引發(fā)縮尺效應(yīng)。

基于上述情況,首先對(duì)原油泄漏過(guò)程進(jìn)行受力分析，確定影響原油泄漏的相關(guān)作用力?；谙嗨评碚摚瑢?duì)油艙原油泄漏過(guò)程進(jìn)行量綱分析，推導(dǎo)出較為完整的相似準(zhǔn)則數(shù)群，并據(jù)此建立3種不同的縮尺模型。在相同縮尺比下，通過(guò)對(duì)比分析3種縮尺模型的泄漏持續(xù)時(shí)間、泄漏速度和泄漏入海量等宏觀泄漏特征參數(shù)，確定影響原油泄漏的主要作用力，最終得到建立縮尺模型必須依據(jù)的相似準(zhǔn)則。

1 原油泄漏受力分析

雙殼油船水下破艙原油泄漏是多種流動(dòng)行為復(fù)合的過(guò)程。在不同損傷情形下，原油泄漏的主導(dǎo)力不同，且作用強(qiáng)度會(huì)隨著泄漏過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生改變。這里以靜水環(huán)境中的雙殼油船底部破艙泄漏情形為例，分析原油泄漏過(guò)程中的相關(guān)作用力。

圖1為雙殼油船原油泄漏示意，由于雙層底空間的存在，從油艙中泄漏出的原油不會(huì)直接泄漏到外界，而是先泄漏到雙層底中，隨后穿透雙層底過(guò)程中的水層泄漏到外界。[7]通常認(rèn)為原油從油艙泄漏到雙層底中的流動(dòng)屬于重力主導(dǎo)下的孔口出流，其流動(dòng)行為還受黏性力和油-氣表面張力的影響。[8]然而，在原油穿透雙層底中的水層泄漏到外界的過(guò)程中，其還會(huì)受到浮力的作用。在這些作用力中，重力是驅(qū)動(dòng)原油泄漏的力(動(dòng)力)，而黏性力、表面張力和浮力均是阻礙原油泄漏的力(阻力)。當(dāng)某個(gè)作用力未按相同縮尺比縮小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力和阻力的相對(duì)大小發(fā)生變化，從而引發(fā)縮尺效應(yīng)。

圖1 雙殼油船原油泄漏示意

2 縮尺模型的建立

目前已有研究采用的縮尺模型均未考慮表面張力和浮力。表面張力和浮力分別在油艙及雙層底中起作用。這里以油艙為研究對(duì)象，針對(duì)原油從油艙泄漏到雙層底的過(guò)程，采用量綱分析的方法推導(dǎo)出考慮表面張力的較為完整的相似準(zhǔn)則數(shù)群，并據(jù)此建立縮尺模型。

2.1油艙油品泄漏量綱分析

內(nèi)殼破孔處的原油泄漏平均速度v是衡量原油泄漏特征的重要指標(biāo)。相關(guān)參數(shù)有油艙油位H，破孔孔徑d，重力加速度g，油品密度ρ，油品動(dòng)力黏度系數(shù)μ和表面張力系數(shù)σ。描述油艙油品泄漏速度的一般函數(shù)式為

f(v,H,ρ,g,d,μ,σ)=0

(1)

式(1)中:物理量的個(gè)數(shù)為n=7，采用[M],[L],[T]等3個(gè)基本量綱，m=3。根據(jù)π定理，這n個(gè)物理量的關(guān)系式可轉(zhuǎn)換成n-m=4個(gè)無(wú)量綱量的函數(shù)關(guān)系式,即

f(π1,π2,π3,π4)=0

(2)

選擇H,ρ,g等3個(gè)物理量作為基本物理量，其余4個(gè)參數(shù)可表示為

(3)

根據(jù)量綱一致性原理得到4個(gè)無(wú)量綱數(shù),即

(4)

式(3)和式(4)中:π1為弗汝德數(shù);π2為幾何無(wú)量綱數(shù);π3和π4分別可轉(zhuǎn)換為雷諾數(shù)及韋伯?dāng)?shù)。弗汝德數(shù)、雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)分別是重力、黏性力及表面張力的相似準(zhǔn)則。根據(jù)滿足的相似準(zhǔn)則個(gè)數(shù)的不同，可建立Fr模型、Fr-Re模型和弗汝德-雷諾-韋伯模型(以下簡(jiǎn)稱Fr-Re-We模型)等3種縮尺模型。

2.2原油泄漏模型參數(shù)相似關(guān)系的導(dǎo)出

用m和p分別表示模型參數(shù)及原型參數(shù)。取幾何比尺為λ=lp/lm，根據(jù)推導(dǎo)的相似準(zhǔn)則導(dǎo)出模擬油艙原油泄漏過(guò)程的縮尺模型各參數(shù)與原型的相似關(guān)系。

1) 速度相似關(guān)系為vp=vmλ1/2。

2) 破孔孔徑相似關(guān)系為dp=dmλ。

3) 油品動(dòng)力黏度相似關(guān)系為μp=μmλρλ3/2。

4) 油品表面張力系數(shù)相似關(guān)系為σp=σmλρλ2。

5) 當(dāng)模型的油品密度與原型相等時(shí)，動(dòng)力黏度與表面張力系數(shù)相似關(guān)系分別簡(jiǎn)化為μp=μmλ3/2和σp=σmλ2。

根據(jù)幾何相似關(guān)系和速度相似關(guān)系，可導(dǎo)出時(shí)間相似關(guān)系tp=tmλ1/2和油品體積相似關(guān)系Vp=Vmλ3。基于不同相似準(zhǔn)則建立的不同縮尺模型主要比尺見(jiàn)表1。

表1 不同縮尺模型主要比尺

3 不同相似準(zhǔn)則縮尺模型研究

選取的相似準(zhǔn)則越合理，根據(jù)相似關(guān)系將縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果反推回原型尺度得到的模型-原型結(jié)果與實(shí)際原型結(jié)果越接近。通過(guò)對(duì)比不同縮尺模型的油品泄漏特征參數(shù)與原型的偏差，即可判斷出各相似準(zhǔn)則的重要程度。參考相關(guān)研究[7]，以某超大型油船的L型油艙邊艙為模型艙原型，以Lone Rock原油為油品原型，根據(jù)表1設(shè)計(jì)縮尺模型試驗(yàn)。采用數(shù)值試驗(yàn)的方法模擬原型和各縮尺模型的油品泄漏過(guò)程。通過(guò)對(duì)比模型自由泄漏階段持續(xù)的時(shí)間及油品泄漏入海量與原型的差異，探究油品泄漏過(guò)程中黏性力、表面張力和浮力的相對(duì)重要程度，進(jìn)而確定建立縮尺模型時(shí)應(yīng)采用的相似準(zhǔn)則。

3.1縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

在縮尺模型試驗(yàn)中，模型縮尺比確定之后，可通過(guò)改變特征流速v和選取具有特定黏度μ的液體作為流體介質(zhì)2種方法控制模型雷諾數(shù)Re=ρvd/μ。然而,在原油泄漏模型試驗(yàn)中，無(wú)法人為改變流速，只能通過(guò)選取具有特定黏度的油品控制模型的雷諾數(shù)。[13-14]同樣，模型的韋伯?dāng)?shù)也通過(guò)改變油品的表面張力系數(shù)來(lái)控制。

3.2縮尺模型油品物性及模型幾何參數(shù)的確定

小尺度縮尺模型試驗(yàn)的縮尺比通常為1:50～1:30，因此選取1:40作為縮尺模型的縮尺比。根據(jù)表1中的油品物性相似關(guān)系和模型幾何特征相似關(guān)系，確定縮尺模型試驗(yàn)對(duì)照組的油品物性和模型幾何參數(shù)(見(jiàn)表2)。此外，為探究浮力對(duì)油品泄漏的影響，設(shè)置試驗(yàn)油品密度和Fr-Re-We模型不同的對(duì)照組Fr-Re-We(D)。

為保證縮尺模型與原型的幾何相似性，在原型和縮尺模型的幾何模型中均忽略船殼厚度。簡(jiǎn)化的模型艙示意見(jiàn)圖2。

a)正視圖b)俯視圖

圖2 簡(jiǎn)化的模型艙示意

3.3研究方法及驗(yàn)證

該研究采用文獻(xiàn)[15]給出的數(shù)值方法，經(jīng)物模試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能較為準(zhǔn)確地模擬油品泄漏過(guò)程。

3.4不同相似準(zhǔn)則縮尺模型的試驗(yàn)結(jié)果

相似準(zhǔn)則數(shù)反映各種作用力和慣性力的相對(duì)大小。根據(jù)Fr模型、Fr-Re模型、Fr-Re-We模型和Fr-Re-We(D)模型試驗(yàn)結(jié)果，分析黏性力、表面張力和浮力對(duì)原油泄漏的影響，從而確定縮尺模型試驗(yàn)應(yīng)采用的相似準(zhǔn)則。

3.4.1不同相似準(zhǔn)則下的泄漏持續(xù)時(shí)間

理論上，當(dāng)所有作用力都按相同比例縮小時(shí)，根據(jù)相似關(guān)系將縮尺模型結(jié)果反推回原型得到的結(jié)果應(yīng)與原型相同。當(dāng)某個(gè)相似準(zhǔn)則未考慮(即某個(gè)作用力未按縮尺比縮小)時(shí)，縮尺模型轉(zhuǎn)化到原型的結(jié)果會(huì)與原型產(chǎn)生偏差，該偏差就是該作用力未縮尺產(chǎn)生的縮尺效應(yīng)。不同縮尺模型油品自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間見(jiàn)圖3。從圖3中可看出,Fr-Re模型和Fr-Re-We模型的泄漏持續(xù)時(shí)間與原型最為接近，F(xiàn)r-Re-We(D)模型次之，F(xiàn)r模型偏差最大。這說(shuō)明黏度偏大、密度偏小會(huì)導(dǎo)致原油自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間偏短，黏性力和浮力是引發(fā)縮尺效應(yīng)的主要原因。

表2 原油泄漏縮尺模型試驗(yàn)對(duì)照組

圖3 不同縮尺模型油品自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間

Fr-Re-We模型是在Fr-Re模型的基礎(chǔ)上考慮韋伯相似準(zhǔn)則得到的縮尺模型。通過(guò)對(duì)比Fr-Re模型和Fr-Re-We模型可探究表面張力對(duì)原油泄漏的影響。圖3中，2個(gè)縮尺模型的油品泄漏速度和油品從外殼破孔泄漏入海的平均速度均基本相同，說(shuō)明在油品泄漏過(guò)程中表面張力的作用可忽略不計(jì)。

從圖3～圖7中可看出，F(xiàn)r-Re模型和Fr-Re-We模型已能較為真實(shí)地反映原型，但仍存在偏差，這可能是未采用相應(yīng)的相似準(zhǔn)則對(duì)油水界面張力進(jìn)行縮尺導(dǎo)致的。

Fr-Re模型是在Fr模型的基礎(chǔ)上考慮雷諾相似準(zhǔn)則得到的縮尺模型。通過(guò)對(duì)比Fr模型和Fr-Re模型可探究黏性力對(duì)原油泄漏的影響。圖4為不同縮尺模型油艙油品泄漏平均速度。從圖4中可看出，F(xiàn)r模型中油品從油艙破孔泄漏進(jìn)入雙層底的平均速度略小于Fr-Re模型。這是因?yàn)镕r模型僅保證重力的相似，而黏性力未按相同比例縮小。當(dāng)采用原油作為試驗(yàn)油品時(shí)，由于其黏度遠(yuǎn)大于黏性力相似應(yīng)采用的油品黏度[10]，導(dǎo)致油品在油艙中流動(dòng)的阻力偏大，油艙油品泄漏平均速度偏小。

圖4 不同縮尺模型油艙油品泄漏平均速度

在Fr模型中，油品進(jìn)入雙層底之后，由于油艙中的油品泄漏速度偏小，油射流所具備的動(dòng)能不足以克服自身的浮力和水層的阻力，導(dǎo)致油品泄漏入海率遠(yuǎn)低于原型。此外，由于油射流不能占據(jù)外殼破孔，使得外界海水大量進(jìn)入雙層底。在這2方面的綜合作用下，F(xiàn)r模型的雙層底液位上升速度遠(yuǎn)大于原型和其他縮尺模型，最終導(dǎo)致該模型自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于原型。因此，黏性力是原油泄漏過(guò)程中的重要作用力，當(dāng)黏性力未按相同比例縮小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致縮尺模型自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間存在縮尺效應(yīng)。這也說(shuō)明在進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)時(shí)，不能選取原油作為試驗(yàn)油品，而應(yīng)根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則選取特定黏度的油品。

Fr-Re-We(D)模型是在Fr-Re-We模型的基礎(chǔ)上改變?cè)囼?yàn)油品密度得到的縮尺模型。通過(guò)對(duì)比Fr-Re-We(D)模型和Fr-Re-We模型可探究浮力對(duì)原油泄漏的影響。圖5為不同縮尺模型油品泄漏入海平均速度，2種模型的油艙油品泄漏速度基本相同，F(xiàn)r-Re-We(D)模型的油品泄漏入海平均速度小于Fr-Re-We模型，與原型的偏差更大。

上述試驗(yàn)證明油品在穿透雙層底中的油水混合物時(shí)會(huì)受到浮力的影響。當(dāng)油品密度小于原油時(shí)，油品與海水的密度差變大，油品在油水混合物中流

圖5 不同縮尺模型油品入海泄漏平均速度

動(dòng)時(shí)受到的凈浮力變大，油品泄漏入海的速度變小。泄漏入海速度變小意味著更多油品被保留在雙層底中，雙層底液位上升速度加快，自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間變短(如圖3所示)。因此，浮力是油品泄漏過(guò)程中的另一個(gè)重要作用力，當(dāng)其未按相同比例縮小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致縮尺模型自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間存在縮尺效應(yīng)。

由于油品密度發(fā)生改變，F(xiàn)r-Re-We(D)模型的雷諾數(shù)并不與Fr-Re-We模型相同，但數(shù)值非常接近。然而,油品泄漏入海的速度與Fr-Re-We模型存在很大偏差，這說(shuō)明僅保證雷諾數(shù)相同不能準(zhǔn)確模擬原油在雙層底中的流動(dòng)行為。油品的密度和黏度是2個(gè)獨(dú)立的影響因子，通過(guò)控制油品的運(yùn)動(dòng)黏度來(lái)控制雷諾數(shù)相同是不可行的。

3.4.2不同相似準(zhǔn)則下的油品泄漏入海量

油品泄漏入海量是另一個(gè)重要的油品泄漏特征參數(shù)。不同縮尺模型自由泄漏階段油品泄漏入海量見(jiàn)圖6。從圖6中可看出，F(xiàn)r-Re模型和Fr-Re-We模型的泄漏入海量與原型最為接近，F(xiàn)r-Re-We(D)模型和Fr模型的偏差均較大。這說(shuō)明黏性力和浮力也會(huì)導(dǎo)致油品泄漏入海量存在縮尺效應(yīng)。

圖6 不同縮尺模型自由泄漏階段油品泄漏入海量

油艙油品泄漏量取決于自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間和油品泄漏入海的平均速度。由于Fr模型未對(duì)黏性力進(jìn)行縮尺，采用原油作為試驗(yàn)油品會(huì)導(dǎo)致油品泄漏平均速度偏小，自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間偏短。這2個(gè)參數(shù)偏小均會(huì)導(dǎo)致油艙油品泄漏量偏少(見(jiàn)圖7)。

圖7 不同縮尺模型油艙油品泄漏量

由于黏性力過(guò)大，使得油射流不能穿透雙層底中的水層泄漏到外界，直接改變雙層底中油水相互作用形式，導(dǎo)致模型油品泄漏入海量與原型存在巨大偏差(如圖6所示)。這進(jìn)一步證明要采用縮尺模型模擬原油泄漏過(guò)程,必須根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則選取低黏度的油品作為試驗(yàn)油品。

在自由泄漏階段，油艙中的油品與雙層底中的油水混合物并未發(fā)生直接作用，浮力僅對(duì)雙層底中的油品產(chǎn)生作用，因此Fr-Re-We(D)模型的油艙油品泄漏速度與Fr-Re-We模型基本相同。由于Fr-Re-We(D)模型采用的油品與海水的密度差更大，油品在雙層底中流動(dòng)時(shí)所受凈浮力更大，油射流速度衰減更嚴(yán)重。因此,Fr-Re-We(D)模型的油品泄漏率偏小，雙層底中油品積累的速度偏大，自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間偏短。雖然Fr-Re-We(D)模型油艙油品泄漏速度與Fr-Re-We模型相同，但Fr-Re-We(D)模型自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間更短，導(dǎo)致油艙泄漏量偏少。在油艙泄漏量和油品泄漏入海率均減小的情況下，F(xiàn)r-Re-We(D)模型自由泄漏階段的油品泄漏入海量偏少(如圖6所示)。

綜上所述，當(dāng)模型中的油品所受的黏性力和凈浮力偏大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自由泄漏階段持續(xù)時(shí)間縮短，該階段的油品泄漏入海量減少。然而,在進(jìn)行縮尺物模試驗(yàn)時(shí)，較難使浮力和黏性力的大小同時(shí)滿足相似準(zhǔn)則的要求，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致自由泄漏階段結(jié)束時(shí)的油品泄漏特征參數(shù)存在縮尺效應(yīng)。若縮尺模型進(jìn)入原油受阻泄漏階段時(shí)的油艙油位和油艙油品泄漏速度(轉(zhuǎn)化到原型尺度)與原型存在偏差，則受阻泄漏階段的縮尺效應(yīng)可能會(huì)被進(jìn)一步放大。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)原油自由泄漏階段的油艙原油泄漏過(guò)程，基于相似理論，采用量綱分析的方法推導(dǎo)出完整的相似準(zhǔn)則數(shù)群，并根據(jù)不同相似準(zhǔn)則建立3種縮尺模型。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)的方法模擬相同縮尺比下不同縮尺模型的油品泄漏過(guò)程，根據(jù)相似關(guān)系將縮尺模型數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為原型尺度，將其與原型數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證通過(guò)選取低黏度油品控制模型雷諾數(shù)的科學(xué)性。研究結(jié)果表明：

1) 黏性力和浮力是影響原油泄漏過(guò)程的重要作用力，這2個(gè)作用力未按相同縮尺比縮小是引發(fā)縮尺效應(yīng)的主要原因。油-氣表面張力在原油泄漏過(guò)程中可忽略不計(jì)。

2) 在進(jìn)行縮尺物模試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)傅汝德相似準(zhǔn)則建立縮尺模型，根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則選取適當(dāng)黏度的油品或盡量選取黏度小的油品，油品密度應(yīng)與原油相等或接近，以降低縮尺效應(yīng)的影響。

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SimilarityCriteriaofPhysicalModelingforCrudeOilLeakagefromDoubleHullOilTanker

LUJinshu，WUHaoxiao，YANGZhenbo

(School of Maritime and Civil Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316022， China)

Laboratory investigation of oil leakage from double hull oil tank requires the selection of an adequate similitude. In order to ensure the rationality of the scale model tests, the dimension analysis method is used to deduce the similarity criteria that are required in the scale model test. Based on these similarity criteria, three different kinds of scale models are presented. Numerical simulation for the prototype and its 1/40 scale models based on different similitude criteria are carried out. According to the similarity criteria, the result from the scale model is extrapolated to the prototype flow conditions and compared with those directly calculated from the prototype. Based on the viscous fluid dynamics, the effects of viscous force, surface tensional force and buoyant force on the crude oil leakage process are analyzed. The results indicate that the Froude and Reynolds similarity criteria are the dominant similarity criteria and Weber criteria is negligible. When the density of oil used in the model is equal to that of crude, the scale effect is minimized. In different oil leakage stage, different scale model is required to simulate the oil leakage process.

ship engineering; scale model； similarity criteria； oil leakage； double hull oil tanker； viscous fluid dynamics

X55;U674.133.1

A