浮子式圍油欄攔油效果及形狀優(yōu)化的數(shù)值模擬

楊浩天，張 川

（中國(guó)港灣工程有限公司，北京 100027）

0 引 言

海上溢油是最主要的海洋污染之一。圍油欄又稱油障，是用來(lái)阻止溢油擴(kuò)散、縮小溢油面積、為清除溢油及保護(hù)水域提供便利的簡(jiǎn)易而有效的設(shè)備，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。圍油欄一般由浮體（或稱浮子）、屏體（或稱裙體）和配重等3部分組成，其中：浮體用于保持圍油欄的懸浮狀態(tài)；屏體在水下形成阻擋油污溢出的屏障；配重垂于裙體底部，起保持圍油欄垂向平衡的作用。WONG等[1-2]對(duì)傳統(tǒng)實(shí)心圍油欄進(jìn)行形狀優(yōu)化（柔性圍油欄和正（余）弦波圍油欄等），優(yōu)化的圍油欄形狀過于復(fù)雜，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中難以應(yīng)用；魏芳等[3-5]采用數(shù)值模擬方法研究低黏度油類和高黏度油類在水平均勻流作用下的典型失效模式（油滴夾帶失效和累積失效），在此基礎(chǔ)上改進(jìn)傳統(tǒng)單體圍油欄的外部結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，通過數(shù)值手段優(yōu)化圍油欄結(jié)構(gòu)具有可行性。

本文通過數(shù)值仿真手段模擬不同裙擺結(jié)構(gòu)浮子式圍油欄在波流作用下的溢油圍控過程，分析圍油欄的攔油效果與圍油欄自身設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，為圍油欄攔油技術(shù)的改進(jìn)和性能優(yōu)化提供一些合理、可靠的數(shù)據(jù)參考和方法。

1 計(jì)算方法

1.1 控制方程

控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能方程和紊動(dòng)能耗散率方程。

1) 連續(xù)性方程為

2) 動(dòng)量方程為

3) 紊動(dòng)能方程為

4) 紊動(dòng)能耗散率方程為

式(1)～式(4)中：ui(i=1, 2, 3)為 3 個(gè)方向上的流速分量；Ai(i=1, 2, 3)為 3 個(gè)方向上的可流動(dòng)的面積分?jǐn)?shù)；Gi(i=1, 2, 3)為 3 個(gè)方向上的重力加速度；τij為 3 個(gè)方向上的黏性剪切應(yīng)力項(xiàng)；fi(i=1, 2, 3)為 3 個(gè)方向上的油-水黏性項(xiàng)；VF為可流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)；ρ為流體的密度；p為作用在流體上的壓力；kT為紊動(dòng)能；εT為紊動(dòng)能耗散率；PT為紊動(dòng)能kT的產(chǎn)生項(xiàng)；GT為浮力產(chǎn)生項(xiàng)； DkT為紊動(dòng)能耗散項(xiàng)；Dε為紊動(dòng)能耗散率耗散項(xiàng)；Ci(i=1, 2, 3)為無(wú)量綱的用戶自定義參數(shù)，分別取默認(rèn)值1.44、1.92和0.20。

1.2 物體運(yùn)動(dòng)和自由表面的處理

盡管圍油欄近年來(lái)得到廣泛使用，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作開展得并不充分。當(dāng)以數(shù)值手段模擬溢油圍控過程時(shí)，通常假設(shè)圍油欄是固定不動(dòng)的或僅可做垂向升沉運(yùn)動(dòng)[6-7]，這不能真實(shí)反映圍油欄在波流場(chǎng)作用下的溢油圍控過程。因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上充分考慮圍油欄的幾何形狀和浮重比等因素，采用GMO流固耦合模塊計(jì)算固體浮子式的運(yùn)動(dòng)[8]，運(yùn)動(dòng)方程為

式(5)和式(6)中：FG為圍油欄受到的外荷載力；TG為圍油欄受到的總彎矩；m為圍油欄的質(zhì)量；[J]為圍油欄的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；VG為圍油欄的速度；ω為圍油欄的角速度。

自由液面采用考慮流體體積參數(shù)的流體體積函數(shù)F的輸運(yùn)方程，即

2 模型建立

數(shù)值波浪水槽長(zhǎng)15.0m，寬0.5m，高1.1m，試驗(yàn)水深0.8m；水槽左側(cè)設(shè)置造波裝置，右側(cè)設(shè)置孔隙消浪結(jié)構(gòu)（見圖1）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，孔隙消浪結(jié)構(gòu)的孔隙率取0.8，粒徑取0.1。根據(jù)DELVIGNE[9]和張炎炎[10]等的研究，油品油層流失失效主要取決于圍油欄的結(jié)構(gòu)和溢油的密度。為研究不同裙擺形狀對(duì)圍油欄攔油效率的影響，本文設(shè)計(jì)8種改進(jìn)裙擺固體浮子式圍油欄（參數(shù)和形狀見表1和圖2），其中：圍油欄的浮子密度為25.46kg/m3；裙擺密度為4000kg/m3；裙擺厚度為0.01m。在數(shù)值模擬過程中，通過調(diào)整圍油欄配重，保證圍油欄浮力與重力的比值（B/W）為1:6。此外，數(shù)值模擬過程中忽略配重形狀對(duì)周圍流體的影響，將圍油欄配重對(duì)其水動(dòng)力特性的影響折算到圍油欄裙擺質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中。在圍油欄前布置厚度為0.02m、長(zhǎng)度為0.5m的薄油層，溢油油品密度為850kg/m3和950kg/m3，黏度均為3000mm2/s。圍油欄迎浪側(cè)配置2根錨鏈，以限制圍油欄沿?cái)?shù)值水槽縱向移動(dòng)，其中錨鏈長(zhǎng)度取1.0m，錨鏈剛度K=5×104N/m。計(jì)算網(wǎng)格最大尺寸為2.0cm×2.0cm，在水面處一個(gè)波高范圍內(nèi)和圍油欄周圍對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，尺寸取為0.5cm×0.5cm。網(wǎng)格縱橫比均控制在1.25以內(nèi)（見圖3）。

圖1 數(shù)值水槽示意

表1 圍油欄結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 圍油欄類型示意

圖3 圍油欄附近網(wǎng)格剖分

CORMARK[11]的研究結(jié)果表明，圍油欄失效的臨界速度為0.25～0.50m/s，且當(dāng)水流速度＞0.50m/s時(shí)，無(wú)論圍油欄的欄深多大，攔油都會(huì)失效。開展該試驗(yàn)的目的是研究波流作用下圍油欄的溢油圍控過程，探討不同裙擺形狀對(duì)浮子式圍油欄攔油效果的影響。因此，該試驗(yàn)中水流流速為0.30m/s，測(cè)試波況為無(wú)浪及波高H=0.06m，波周期 T=1.3s。圍油欄結(jié)構(gòu)示意見圖4。

3 結(jié)果分析

圖4 圍油欄結(jié)構(gòu)示意

3.1 圍油欄溢油圍控過程

圖5為波流作用下圍油欄失效過程。由圖5可知：欄前溢油在波流作用下朝著圍油欄前聚集，不斷變厚；在水流作用下圍油欄的整體姿態(tài)朝著離岸方向傾斜（見圖5a））；當(dāng)欄前溢油累積厚度超過圍油欄有效吃水深度時(shí)，油層流失失效發(fā)生；當(dāng)波峰靠近圍油欄時(shí)，圍油欄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖5b））；當(dāng)波谷靠近圍油欄時(shí)，圍油欄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖5c）），有效吃水深度減??；當(dāng)欄前溢油逐漸在欄前端聚集時(shí)，油層厚度逐漸增加，直至超過圍油欄有效吃水深度時(shí)，油層流失失效發(fā)生。

3.2 圍油欄臨界失效狀態(tài)

圖6為不同形狀圍油欄發(fā)生臨界失效時(shí)的溢油瞬態(tài)圖。對(duì)于傳統(tǒng)圍油欄，一旦欄前滯油厚度超過圍油欄迎水有效吃水深度，滯油失效立即發(fā)生。對(duì)于改進(jìn)Ⅰ類圍油欄，圍油欄在波流作用下整體姿態(tài)向后傾斜，但由于圍油欄裙擺末端做了前折處理，其有效吃水深度比傳統(tǒng)剛性圍油欄大。對(duì)應(yīng)地，在相同波流條件下，滯油量有所改善。對(duì)于改進(jìn)Ⅱ類圍油欄，在相同波流條件下，其傾斜角度相比傳統(tǒng)圍油欄和Ⅰ類圍油欄明顯減小。此外，欄前圓弧前折裙擺具有一定的導(dǎo)流作用，使得圍油欄前形成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)流，溢油在水流的作用下達(dá)到圍油欄末端時(shí)會(huì)順著裙擺迎浪面內(nèi)側(cè)向上運(yùn)動(dòng)，而不是直接在裙擺末端脫落。由此可看出，Ⅱ類圍油欄有明顯的滯油性能改善效果。

圖6 不同形狀圍油欄發(fā)生臨界失效時(shí)的溢油瞬態(tài)圖

對(duì)于同類型改進(jìn)的圍油欄而言，其前折角度和長(zhǎng)度同樣會(huì)對(duì)臨界失效過程產(chǎn)生影響。一般來(lái)說，在本文的對(duì)比算例中，前折角度越大、前折長(zhǎng)度越長(zhǎng)，滯油能力越強(qiáng)。對(duì)比C型和E型圍油欄可發(fā)現(xiàn)，在相同波流條件下，E型圍油欄的攔油程度較高（見圖7）。表2給出在相同波流條件下裙擺前折角度對(duì)欄前滯油長(zhǎng)度的影響。從表2中可看出：當(dāng)欄前滯油發(fā)生初始失效時(shí)，波流作用下的欄前滯油長(zhǎng)度要明顯小于純水流作用下的“停滯長(zhǎng)度”，這主要是由于波浪的凈輸移作用。輕質(zhì)溢油的欄前滯油長(zhǎng)度相比密度較高的溢油的欄前滯油長(zhǎng)度更長(zhǎng)，這是由于溢油密度越低其浮力越大，不易被水流攜帶繞過圍油欄底端發(fā)生圍控失效。此外，欄前滯油長(zhǎng)度隨著裙擺前折角度的增大而不斷增長(zhǎng)。當(dāng)前折角度達(dá)到45°時(shí)，其欄前滯油長(zhǎng)度要比傳統(tǒng)無(wú)折角圍油欄長(zhǎng)約30%。

圖7 C型和E型圍油欄臨界失效對(duì)比

表2 裙擺前折角度對(duì)欄前滯油長(zhǎng)度的影響

一般來(lái)說，前轉(zhuǎn)角圍油欄的滯油能力要低于前折圍油欄（見圖8）。進(jìn)一步地，由裙擺彎曲形態(tài)對(duì)欄前滯油長(zhǎng)度的影響（見表3）可知：當(dāng)D1/D2=1時(shí)，D型圍油欄欄前滯油長(zhǎng)度比H型圍油欄長(zhǎng)出約0.03m；當(dāng)D1/D2=2時(shí)，圍油欄裙擺形態(tài)對(duì)欄前滯油形態(tài)的影響不顯著。

圖8 B型和E型曲壁圍油欄臨界失效對(duì)比

表3 裙擺彎曲形態(tài)對(duì)欄前滯油長(zhǎng)度的影響

3.3 溢油損失量

圍油欄前布置待泄漏油層尺寸為0.02m×0.50m，網(wǎng)格尺寸為0.5cm×0.5cm。表4為不同形狀圍油欄滯油損失百分比。從表4中可看出，圍油欄在純流作用下的滯油效果要明顯優(yōu)于在波流作用下的滯油效果。為比較不同波流條件下的圍油欄前滯油損失，控制造波個(gè)數(shù)為15個(gè)，對(duì)比15個(gè)波經(jīng)過圍油欄后的溢油損失量。在波流共同作用下，圍油欄滯油損失比純流條件下的大。這是由于圍油欄在水波動(dòng)荷載作用下，裙擺會(huì)發(fā)生周期性的擺動(dòng)，迎水阻油面積減小。對(duì)于相同形態(tài)的圍油欄來(lái)說，不同傾斜角度對(duì)圍油欄滯油效能的影響也是不同的?？傮w來(lái)說，前折角度越大，前折長(zhǎng)度越長(zhǎng)，滯油效果越好。圓弧前傾滯油效果比小折角（15°）前傾滯油效果要好，但比大折角（45°）差。

表4 不同形狀圍油欄滯油損失百分比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用FLOW3D軟件模擬圍油欄在波流作用下的圍油欄前油層的演化過程，分析不同形狀圍油欄的滯油性能。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明：圍油欄所處水流、波浪條件會(huì)顯著影響其滯油性能；波流作用下的圍油欄滯油性能相比純流作用下的圍油欄滯油性能顯著下降；對(duì)圍油欄裙擺作前傾處理可增加其滯油效果，一般前傾角度越大，攔油效果越好。