急流水域新型支架結(jié)構(gòu)圍油欄的設(shè)計(jì)及模擬

石寧+湯祺+陳榮昌+王奎升

摘 要：針對圍油欄在內(nèi)河急流水域的溢油圍控作業(yè)中，易發(fā)生傾斜而導(dǎo)致圍控失效問題，提出了一種新型支架結(jié)構(gòu)圍油欄，并對其受力部件進(jìn)行了受力分析及強(qiáng)度校核。利用Fluent數(shù)值模擬方法，研究了新型圍油欄對不同粘度溢油的攔截特性。結(jié)果表明，本文研發(fā)的新型圍油欄與傳統(tǒng)圍油欄相比，設(shè)計(jì)在高低粘度溢油的圍控作業(yè)中，可提高圍油欄失效的臨界流速，并延長同等流速下的有效圍控時(shí)間，可提高溢油事故應(yīng)急處置的圍控效果。

關(guān)鍵詞：圍油欄；支架結(jié)構(gòu)；Fluent

中圖分類號：U698.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）11-0040-04

石油等大宗散貨的運(yùn)輸主要通過水路運(yùn)輸完成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1973年至2006年間，我國共發(fā)生海上溢油事故2635起；2009年-2012年，每年發(fā)生溢油事件4～12 起，平均每年發(fā)生溢油事件9.3起，對海洋環(huán)境造成了嚴(yán)重?fù)p害。而在內(nèi)河，由于內(nèi)河水生態(tài)環(huán)境的脆弱性，一旦發(fā)生船舶溢油事故，造成的污染損害遠(yuǎn)大于海洋，再加上內(nèi)河分布有眾多的飲用水取水口，事故還將造成恐慌性缺水等社會負(fù)面影響。

圍油欄是溢油事故應(yīng)急中最有效和最常用的處置措施，其作用是污染物的圍控?cái)r截，或?qū)⑽廴疚飳?dǎo)流至易于回收的水域。圍油欄結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)主要考慮海洋環(huán)境的潮流和風(fēng)浪特征，而對于內(nèi)河環(huán)境的急流條件則很少顧及，因此有必要根據(jù)內(nèi)河急流水域特征研究新型的圍油欄結(jié)構(gòu)型式，以防止圍油欄在急流水域的圍控失效。

1 單體和雙體型式圍油欄的缺陷

目前市場上普遍使用的主要有單體圍油欄和雙體圍油欄兩種形式，兩種圍油欄在使用過程中都對溢油起著較大的攔截作用，但他們各自都存在缺點(diǎn)。單體圍油欄在使用過程中受風(fēng)、海浪的作用易發(fā)生傾斜，溢油會從圍油欄底部逃逸或從圍油欄頂部沖出；雙體圍油欄在使用時(shí)，從前一個(gè)圍油欄溢出的油污會產(chǎn)生漩渦效應(yīng)，兩個(gè)圍油欄的存在加劇了圍油欄之間的漩渦效應(yīng)，油滴的大量聚集會使圍油欄負(fù)荷超載，從而產(chǎn)生夾帶失效。對于雙體圍油欄，研究表明，當(dāng)兩單體圍油欄間距為8倍欄高時(shí)，圍油欄攔截效果良好，但存在占用水域面積大和布設(shè)難度大的缺陷。

因此，本文將針對單體圍油欄易傾斜的缺陷重點(diǎn)研究，提出了一種新型支架結(jié)構(gòu)圍油欄，使其在內(nèi)河急流水域保持穩(wěn)定。

2 支架結(jié)構(gòu)圍油欄的設(shè)計(jì)

支架結(jié)構(gòu)是基于長江等內(nèi)河急流水域的溢油需求而設(shè)計(jì)的，綜合考慮長江上下游及洪水期與枯水期的流速，以圍油欄正常工作可能遇到的最惡劣的水流情況進(jìn)行計(jì)算，取1.5m/s為計(jì)算流速。考慮到圍油欄也可能應(yīng)用于受潮汐影響的河口水域，抗最大波高按2m設(shè)計(jì)。

單個(gè)圍油欄的主要組成部分為：浮體﹑裙體和配重，浮體提供浮力，配重鏈提供重力。本研究增加了一個(gè)新結(jié)構(gòu)部件，即支架以維持圍油欄在水中的穩(wěn)定，如圖1所示。

實(shí)際水域中的圍油欄由多個(gè)單體圍油欄，通過鉸鏈?zhǔn)孜蚕噙B而成，如圖2所示。

2.1 各部位材料選擇

圍油欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮圍油欄的結(jié)構(gòu)，還要對圍油欄的材料做出最佳選擇，以保證圍油欄的漂浮性。裙體使用PVC人造革做裙體材料，具有耐油、防水、抗老化等性質(zhì)；浮體使用聚苯乙烯泡沫塑料，其閉孔結(jié)構(gòu)抗水性優(yōu)良，具有密度小、尺寸精度高、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)；支架使用5000系列鋁合金（鋁鎂合金）作為支架的材料，具有密度低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)；配重鏈的材料則根據(jù)圍油欄的受力確定。

2.2 圍油欄受力分析

圍油欄的生產(chǎn)中，漂浮式圍油欄每節(jié)長度按20m設(shè)計(jì)，是圍油欄長度基本單位。本文研究設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)圍油欄單節(jié)的設(shè)計(jì)長度為20m。參考“標(biāo)準(zhǔn)JT/T 465-2001《圍油欄》中表1”的規(guī)定，以波高確定圍油欄總高為1000mm，干舷為400mm，吃水為600mm，浮重比為8：1。

在圍油欄可以正常發(fā)揮作用時(shí)，對其進(jìn)行受力分析。

由圍油欄的總受力及錨鏈規(guī)格可知，配重鏈選擇錨鏈鏈徑12.5mm，3.1kg/m的BM2二級無檔錨鏈。

2.3 圍油欄強(qiáng)度計(jì)算

圍油欄受到水流的沖擊后會出現(xiàn)一定程度的彎曲，如圖3所示，設(shè)定圍油欄兩側(cè)的切線與圍油欄兩側(cè)的連線夾角為30度，此時(shí)直線長/圓弧長=0.955。

欄體的軸線方向所受的拉力見式（5）。

2.4 螺栓強(qiáng)度校核

圍油欄用到M8螺釘及M10螺栓，選擇M8螺釘進(jìn)行校核。

圍油欄所受的力可視為均布力，取空氣與水的分界面處研究，螺釘所受應(yīng)力見式（6）：

2.5 相關(guān)尺寸計(jì)算

浮體采用聚丙乙烯泡沫塑料為材料，密度一般為0.015-0.03g/cm3，所以，以0.02g/cm3計(jì)算浮力，配重鏈和支架提供重力，由圍油欄總受力可選擇鏈徑12.5mm，3.1kg/m的錨鏈，支架以鋁合金為材料，密度為2.7g/cm3。

單節(jié)圍油欄20m，以一個(gè)浮體和柔性隔為一節(jié)，假設(shè)共有20個(gè)浮體，浮體與柔性隔所占長度比為3：1，則浮體總長為15m。設(shè)浮體直徑為D，則有式（8）：

將各數(shù)值代入式（8），解得D=243.3mm 取D=300mm。

此時(shí)，對支架進(jìn)行強(qiáng)度校核：

圍油欄受水流的作用力可視為均勻分布其所受的應(yīng)力見式（9）：

因此，支架可承受水流和風(fēng)的作用力。

綜上，圍油欄單個(gè)浮體直徑為300mm，長750mm，柔性隔長為250mm。每個(gè)圍油欄共有20節(jié)，即20個(gè)浮體。

圍油欄裙體材料為PVC布，在水流作用下會發(fā)生變形，因此，實(shí)際的F浮1會減小很多，這時(shí)，可以認(rèn)為圍油欄吃水線約為600mm。

3 圍油欄的模擬

本文對圍油欄的數(shù)值模擬計(jì)算假定是在無風(fēng)條件下，圍油欄受到水流、波浪等因素的影響，在波浪的影響下上下運(yùn)動(dòng)，如果在數(shù)值模擬時(shí)將圍油欄固定起來，它對波浪造成攔截作用，使浪變得更高，油會在波浪的作用下越過圍油欄，這并不符合實(shí)際海況，這樣會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤。另外，在進(jìn)行攔油模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，中心處的水流流速將達(dá)到最大，圍油欄呈弧形展開，考慮到水流流速在攔油模擬中起著決定性作用，因此，圍油欄的中心區(qū)是本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。根據(jù)這種分析，可以將實(shí)際海況中的三維問題簡化為二維模型。在計(jì)算過程中，油、水是不可壓縮且互不相溶的，存在明顯的自由界面，所以，實(shí)際上本文研究的是在二維狀況下有自由界面存在的不可壓縮流體的非定常流問題。endprint

本文研究的是二維條件下的兩相非定常流，計(jì)算中油、水被認(rèn)為是不可壓縮的。因?yàn)橛退腔ゲ幌嗳艿?，存在明顯的相界面，而數(shù)值模擬的關(guān)鍵部分是跟蹤兩相自由界面。解決這一問題的有效方法是流體體積分?jǐn)?shù)法（VOF方法），它采用體積分?jǐn)?shù)函數(shù)跟蹤兩相界面，通過求解其控制方程來求解兩相的分布。

本文采用k-ε湍流模型，PISO算法求解動(dòng)量方程，流體初始狀態(tài)為空氣一水混合物。

邊界條件設(shè)置：分析溢油流速對攔油特性的影響，油水流進(jìn)口設(shè)為速度入口，出口設(shè)為壓力出口，其余設(shè)為固定壁面。

3.1 傳統(tǒng)圍油欄的模擬

據(jù)Delvigine的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和張博、安長發(fā)等人的計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng) u=0.24 m/s時(shí)傳統(tǒng)圍油欄發(fā)生攔油失效，而張博的模擬結(jié)果則顯示是u=0.25m/s。本文的模擬條件與文[7]一致，為獲得穩(wěn)定的流場，本文設(shè)置在150s后再讓溢油進(jìn)入，設(shè)定水的流速為0.24m/s，圍油欄攔油量為0.01m3/m。油不斷進(jìn)入水池，并在擋板前逐漸積累直至處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示；當(dāng)水流速度是0.25m/s時(shí)，溢油在圍油欄前堆積起來，當(dāng)t=26.9s時(shí)，會有小部分溢油開始從欄底逃逸，如圖5所示，將模擬持續(xù)到1200s，可以看出在最后一段時(shí)間內(nèi)溢油不再逃逸，如圖6所示；當(dāng)水流速度為0.26m/s時(shí)，在t=39.5s時(shí)開始發(fā)生油滴夾帶失效，如圖7所示，溢油量隨時(shí)間逐漸增大，不趨于穩(wěn)定。

本文對傳統(tǒng)圍油欄進(jìn)行的數(shù)值模擬與Delvigine的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和張博、安長發(fā)等人的模擬結(jié)果相比較，結(jié)果見表1。

本文模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，說明本文模型正確，計(jì)算方法合理有效。

在此基礎(chǔ)上，本文參考魏芳等人的模擬結(jié)果，利用此模型對高粘度油進(jìn)行模擬，設(shè)定水流速度0.19m/s，圍油欄攔油量為0.005m3/m，在t=21.6s時(shí)圍油欄有少許溢油流出，繼續(xù)模擬至1200s，油層在一段時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8所示；當(dāng)改變水流速度為0.20m/s時(shí)，圍油欄在t=43.4s時(shí)發(fā)生油滴夾帶失效，如圖9所示。表明圍油欄在高粘度油的情況下的臨界失效速度是0.19m/s。

3.2 本次設(shè)計(jì)圍油欄的模擬

本文以 Delvigine， Johnston 等人的實(shí)驗(yàn)和安長發(fā)、張政等人對傳統(tǒng)圍油欄做的數(shù)值模擬計(jì)算為基礎(chǔ)， 對傳統(tǒng)圍油欄以及本次設(shè)計(jì)的圍油欄的攔油性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行比較。在前人模擬的基礎(chǔ)上，本文只對圍油欄形狀進(jìn)行了改變，其余條件與上述模擬完全相同，建立二維模型如圖10，水池長8m，深2m，圍油欄有效深度0.6m，底部寬0.8m，頂部寬0.6m，進(jìn)油口左上角頂點(diǎn)向下0.005m。考慮到水流的速度和密度等因素，計(jì)算區(qū)域全部用水填充。為了增加計(jì)算的速度，采用規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對此物理模型進(jìn)行劃分。

3.2.1 低粘度油

低粘度油參數(shù)：密度取888kg/m3，粘度7.0×10-5m2/s。

當(dāng)水速u=0.25m/s時(shí)，油層在擋板前不斷變厚直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，沒有油層泄露，模擬至1200s前后很長一段時(shí)間內(nèi)的油水兩相分布如圖11所示；改變水的流速為0.26m/s，當(dāng)t=43.8s時(shí)圍油欄發(fā)生油滴夾帶失效，如圖12所示。因此在低粘度油泄露的情況下，此設(shè)計(jì)圍油欄的臨界失效速度為0.26m/s。

3.2.2 高粘度油

高粘度油參數(shù)：密度取915kg/m3，粘度3.6×10-3m2/s。

當(dāng)將溢油特性設(shè)置為高粘度油時(shí)，參考本文模型的臨界水速0.20m/s，將模擬的水速分別從0.15m/s依次增加0.01m/s直至0.25m/s，圍油欄都沒有穩(wěn)定狀態(tài)，但所有水速條件下油層運(yùn)動(dòng)都有相似的規(guī)律，即在某一時(shí)刻后圍油欄開始發(fā)生夾帶失效，隨著溢油的增多，溢油在圍油欄前積聚并越過圍油欄，直至停止進(jìn)油圍油欄都不能正常圍控溢油。以0.19m/s為例：當(dāng)水速為u=0.19m/s，t=69.1s時(shí)油層開始從圍油欄底部發(fā)生小部分泄漏，如圖13所示，隨著時(shí)間的增加，泄漏量不斷增多，如圖14所示，進(jìn)油結(jié)束直至1000s的時(shí)間內(nèi)，油層向圍油欄后方移動(dòng)，如圖15所示；改變水速至0.20m/s，t=97.5s時(shí)圍油欄發(fā)生油滴夾帶失效，其余油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律與此相同。

3.2.3 模擬結(jié)果對比

將本次設(shè)計(jì)的新型圍油欄在高低粘度油下的臨界失效速度以及發(fā)生失效所需時(shí)間與傳統(tǒng)圍油欄進(jìn)行對比，如表2所示。

由對比可知，對于低粘度溢油，本次設(shè)計(jì)的圍油欄在保證與傳統(tǒng)圍油欄臨界流速基本相同的情況下，可延長其發(fā)生失效的時(shí)間，為溢油事故中油的回收爭取時(shí)間；對于高粘度溢油，雖然本次設(shè)計(jì)圍油欄并沒有模擬出失效水速，但圍油欄發(fā)生失效的時(shí)間仍遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)圍油欄，在應(yīng)急時(shí)間更為重要的事故處理事件中同樣具有優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文為改善圍油欄在內(nèi)河急流水域中易傾覆的情況提出了支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對圍油欄進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度校核，以保證圍油欄在平靜乃至急流水域的穩(wěn)定性，為圍油欄的設(shè)計(jì)提供借鑒；對圍油欄進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)此設(shè)計(jì)在高低粘度溢油的情況下均有相應(yīng)的優(yōu)勢，可提高溢油應(yīng)急處置的有效性。

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