李玉樂(lè)，吳文鋒，盧金樹，朱發(fā)新

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316022)

雙殼油船舷側(cè)破損原油泄漏過(guò)程三維數(shù)值模擬

李玉樂(lè)，吳文鋒，盧金樹，朱發(fā)新

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316022)

基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用Fluent軟件搭建了雙殼油船油艙三維數(shù)值模型，運(yùn)用VOF追蹤油水界面，并對(duì)整個(gè)泄漏過(guò)程進(jìn)行階段劃分。通過(guò)對(duì)泄漏過(guò)程的描述，表明Fluent軟件能夠很好的模擬雙殼油船泄漏的過(guò)程。

三維數(shù)值模擬；雙殼油船；油品泄漏

雙殼油船溢油事故一直是社會(huì)各界關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)油船破艙水下泄漏問(wèn)題做了大量研究，但對(duì)雙殼油船舷側(cè)破損原油泄漏過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[1]針對(duì)雙殼油船底部破艙水下原油泄漏過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并對(duì)泄漏過(guò)程進(jìn)行分階段分析。文獻(xiàn)[2-4]運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)原理針對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的雙殼油船進(jìn)行二維建模，并進(jìn)行相關(guān)分析。文獻(xiàn)[5-6]運(yùn)用伯努利方程研究不同船體結(jié)構(gòu)的泄漏效應(yīng)。為進(jìn)一步研究雙殼油船舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損油品泄漏過(guò)程問(wèn)題，文中將利用Fluent軟件搭建三維的雙殼油船模型，對(duì)整個(gè)泄漏過(guò)程進(jìn)行階段劃分，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)油水運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)而研究雙殼油船舷側(cè)破損油品泄漏的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

文中流體流動(dòng)將采用連續(xù)性微分方程：

(1)

假定文中流體的密度和黏性均不隨泄漏過(guò)程發(fā)生變化，根據(jù)常密度常黏性流體動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：u,v,w為x,y,z3個(gè)方向上的速度分量；F為質(zhì)量力；p為壓強(qiáng)；ρ為流體密度；μ為動(dòng)力學(xué)黏性系數(shù)；υ為流體速度；grad為梯度符號(hào)；為矢量場(chǎng)符號(hào)。

本文即將要模擬的雙殼油船的液貨泄漏中所涉及到的流體力學(xué)模型屬于三維非定常不可壓黏性流動(dòng)，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中涉及的控制方程還有動(dòng)量方程(N-S方程)等[7]，采用非耦合performance insight security for orade(PISO)算法[8]、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解。采用VOF方法追蹤各交界面處的波動(dòng)，且在計(jì)算時(shí)，忽略流體的黏性，僅考慮重力和壓力。

1.2 數(shù)值建模

本文的三維數(shù)值模型由海水、壓載艙、油艙及空氣組成。通過(guò)Ansys中的Mesh模塊對(duì)計(jì)算域進(jìn)行六面體全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格空間離散，并對(duì)泄漏區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；油艙上部為壓力進(jìn)口，海水上方及雙殼間設(shè)為壓力出口。文中選取大渦數(shù)值模型，求解器為基于壓力求解器，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為自適應(yīng)；模型選取油品密度為750 kg/m3，黏度為3.5×10-5m2/s；水的密度為1.0×103kg/m3；黏度為1.0×10-6m2/s；空氣的密度為1.25 kg/m3,如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

2 分析模擬結(jié)果

通過(guò)Fluent軟件自帶的后處理器可獲得液貨流經(jīng)內(nèi)外殼破口處時(shí)的質(zhì)量流量-時(shí)間變化曲線(Q-t曲線)，如圖2、圖3所示。

圖2 內(nèi)殼Q-t曲線

圖3 外殼Q-t曲線

泄漏初始時(shí)刻內(nèi)殼破口處油品速度瞬間達(dá)到最大值，而外殼破口處油品速度為0，這說(shuō)明泄漏初期油品和海水在壓力差作用下共同進(jìn)入雙殼空間；隨著泄漏的持續(xù)，艙內(nèi)油品泄漏速度逐漸減慢，此時(shí)雙殼空間充滿了油水；由于艙內(nèi)外壓力差的緣故使得油品穿過(guò)雙殼空間持續(xù)泄漏到外部空間，而海水也將穿過(guò)雙殼空間進(jìn)入油艙內(nèi)；隨著油艙內(nèi)剩余油量的減少，致使艙內(nèi)外壓力差逐漸降為0，泄漏速度將不再發(fā)生劇烈變化。最終，艙內(nèi)外壓力差降為0，整個(gè)泄漏過(guò)程至此結(jié)束。

3 泄漏階段分析

基于對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的觀察，可將油品泄漏過(guò)程大致分為以下4個(gè)階段。

3.1 泄漏初期

泄漏初期為泄漏時(shí)間為0的時(shí)刻，此時(shí)泄漏尚未發(fā)生，如圖4所示。圖4中左下方為油品，右側(cè)為水體，中間部分及左上方為空氣。

圖4 t=0 s三相分布圖

3.2 油水交融

泄漏開始后，由于艙內(nèi)壓力和海水壓力均高于雙殼空間的壓力，導(dǎo)致油與海水迅速且同時(shí)進(jìn)入雙殼空間。此時(shí)，油水相互沖擊交融，此時(shí)的油水混合物以油包水或水包油及乳化油存在。由于密度差的緣故，會(huì)有少量的油沉積在壓載艙下部，且在雙殼空間上部發(fā)現(xiàn)有部分浮油存在，該階段的特點(diǎn)為油未進(jìn)入海水，海水亦未進(jìn)入艙內(nèi)，如圖5所示。

圖5 t=0.5 s三相分布圖

3.3 油水置換

伴隨泄漏的持續(xù)，油水不斷沖擊，海水迅速充滿雙殼空間，而由于海水對(duì)內(nèi)殼出口的占據(jù)導(dǎo)致油品泄漏速度下降。油艙內(nèi)油品不斷泄漏導(dǎo)致艙內(nèi)油位開始下降，海水將穿過(guò)雙殼空間進(jìn)入油艙中，并在油艙底部沉降堆積，如圖6所示。

圖6 t=45 s三相分布圖

隨著海水不斷進(jìn)入油艙，致使艙內(nèi)壓力持續(xù)上升，進(jìn)而導(dǎo)致油品泄漏速度逐漸加快。泄漏至雙殼空間的油品不斷上浮到海水上方，此時(shí)，海水仍源源不斷地穿過(guò)雙殼空間進(jìn)入油艙，如圖7所示。

泄漏到一定階段時(shí)，油的泄漏速度將維持恒定，這是由于艙內(nèi)壓力和雙殼空間壓力逐漸趨于一致。隨著泄漏持續(xù)進(jìn)行，漸漸地油將代替海水充滿雙殼空間，如圖8所示。觀察圖8可知，此時(shí)雙殼空間中的油已抵達(dá)外殼坡口邊緣，但油仍未開始大量泄漏至海水中(此時(shí)海水上方顯示有部分油的存在，是由于油水交融階段部分油品沖出雙殼空間)，而海水在油艙內(nèi)占據(jù)一定容積。

3.4 泄漏后期

經(jīng)歷完油水置換階段，油開始從雙殼空間穿過(guò)外殼，開始向海水中發(fā)生泄漏，由于油的密度比水小，泄漏致海水中的油將緩慢地持續(xù)上升至海水表面，并逐漸擴(kuò)散為一層薄油膜，見圖9。隨著艙內(nèi)外壓力逐漸趨于平衡，最終泄漏狀態(tài)如圖10所示。此時(shí)，艙內(nèi)水面高度幾乎與內(nèi)殼破口相持平。

圖7 t=300 s三相分布圖

圖8 t=720 s三相分布圖

圖9 t=1 200 s三相分布圖

圖10 泄漏結(jié)束時(shí)三相分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了雙殼油船舷側(cè)破損原油泄漏過(guò)程三維數(shù)值模擬，并對(duì)整個(gè)泄漏過(guò)程進(jìn)行階段性劃分，說(shuō)明利用Fluent能夠很好的對(duì)雙殼油船舷側(cè)破損泄漏進(jìn)行三維數(shù)值模擬，為進(jìn)一步利用數(shù)值模擬研究油船破艙泄漏問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

[1] Peter A. Chang Ⅲ,Cheng Wen lin. Hydrodynamic analysis of oil out flow from double hull tankers [C].The Advanced Double Hull Technical Symposium.Gaithersbarg,MD，Qctober,1994.

[2] 高清軍,褚云峰,林建國(guó). 海底管線溢油的數(shù)值模擬[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,33(S2):169-171.

[3] 管永義,李巍,林建國(guó).水下輸油管道溢油運(yùn)動(dòng)模擬及應(yīng)急處理[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,36(4):129-131.

[4] 廖國(guó)祥,高振會(huì),熊德琪.水下油氣泄漏事故污染物輸移預(yù)測(cè)模型[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,36(4):115-120.

[5] Jeong S, Nam J W, Hwang S C, et al. Numerical prediction of oil amount leaked from a damaged tank using two-dimensional moving particle simulation method [J]. Ocean Engineering, 2013,(69):70-78.

[6] Thomae R. Design of a retrofit table alternative to the double hull oil tanker [D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 1995.

[7] 丁剛.基于FLUENT的破艙船舶溢油的數(shù)值模擬[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[8] 許文海,黨彥,李國(guó)棟.雙洞式溢洪洞三維流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007(1):56-60.

Based on the theory of fluid dynamics,the 3D model tanker is built with the software Fluent.The oil-water interface is tracked by the volume of fluid(VOF),with the leakage process divided into three phases.Based on the description of the process of leakage,it is indicated that the Fluent software can well simulate the process of double hull oil tanker's leakage.

3D numerical model;double hull oil tanker;oil leakage

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ16E090003；LQ14E090001)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201328406)；舟山市科技局項(xiàng)目(2015C41009)；浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(21185011614)

李玉樂(lè)(1977-)，男，安徽蒙城人，講師，碩士，研究方向?yàn)榇鞍踩c污染控制。

U661.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.011

2015-12-14