急流水域新型支架結構圍油欄的設計及模擬

石寧+湯祺+陳榮昌+王奎升

摘 要：針對圍油欄在內河急流水域的溢油圍控作業中，易發生傾斜而導致圍控失效問題，提出了一種新型支架結構圍油欄，并對其受力部件進行了受力分析及強度校核。利用Fluent數值模擬方法，研究了新型圍油欄對不同粘度溢油的攔截特性。結果表明，本文研發的新型圍油欄與傳統圍油欄相比，設計在高低粘度溢油的圍控作業中，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間，可提高溢油事故應急處置的圍控效果。

關鍵詞：圍油欄；支架結構；Fluent

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

石油等大宗散貨的運輸主要通過水路運輸完成。據不完全統計，1973年至2006年間，我國共發生海上溢油事故2635起；2009年-2012年，每年發生溢油事件4～12 起，平均每年發生溢油事件9.3起，對海洋環境造成了嚴重損害。而在內河，由于內河水生態環境的脆弱性，一旦發生船舶溢油事故，造成的污染損害遠大于海洋，再加上內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面影響。

圍油欄是溢油事故應急中最有效和最常用的處置措施，其作用是污染物的圍控攔截，或將污染物導流至易于回收的水域。圍油欄結構型式的設計主要考慮海洋環境的潮流和風浪特征，而對于內河環境的急流條件則很少顧及，因此有必要根據內河急流水域特征研究新型的圍油欄結構型式，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。單體圍油欄在使用過程中受風、海浪的作用易發生傾斜，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，從前一個圍油欄溢出的油污會產生漩渦效應，兩個圍油欄的存在加劇了圍油欄之間的漩渦效應，油滴的大量聚集會使圍油欄負荷超載，從而產生夾帶失效。對于雙體圍油欄，研究表明，當兩單體圍油欄間距為8倍欄高時，圍油欄攔截效果良好，但存在占用水域面積大和布設難度大的缺陷。

因此，本文將針對單體圍油欄易傾斜的缺陷重點研究，提出了一種新型支架結構圍油欄，使其在內河急流水域保持穩定。

2 支架結構圍油欄的設計

支架結構是基于長江等內河急流水域的溢油需求而設計的，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行計算，取1.5m/s為計算流速。考慮到圍油欄也可能應用于受潮汐影響的河口水域，抗最大波高按2m設計。

單個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。本研究增加了一個新結構部件，即支架以維持圍油欄在水中的穩定，如圖1所示。

實際水域中的圍油欄由多個單體圍油欄，通過鉸鏈首尾相連而成，如圖2所示。

2.1 各部位材料選擇

圍油欄的結構設計，不僅要考慮圍油欄的結構，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；浮體使用聚苯乙烯泡沫塑料，其閉孔結構抗水性優良，具有密度小、尺寸精度高、結構均勻等優點；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、強度高等優點；配重鏈的材料則根據圍油欄的受力確定。

2.2 圍油欄受力分析

圍油欄的生產中，漂浮式圍油欄每節長度按20m設計，是圍油欄長度基本單位。本文研究設計的支架結構圍油欄單節的設計長度為20m。參考“標準JT/T 465-2001《圍油欄》中表1”的規定，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揮作用時，對其進行受力分析。

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

2.3 圍油欄強度計算

圍油欄受到水流的沖擊后會出現一定程度的彎曲，如圖3所示，設定圍油欄兩側的切線與圍油欄兩側的連線夾角為30度，此時直線長/圓弧長=0.955。

欄體的軸線方向所受的拉力見式（5）。

2.4 螺栓強度校核

圍油欄用到M8螺釘及M10螺栓，選擇M8螺釘進行校核。

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，螺釘所受應力見式（6）：

2.5 相關尺寸計算

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。

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

將各數值代入式（8），解得D=243.3mm 取D=300mm。

此時，對支架進行強度校核：

圍油欄受水流的作用力可視為均勻分布其所受的應力見式（9）：

因此，支架可承受水流和風的作用力。

綜上，圍油欄單個浮體直徑為300mm，長750mm，柔性隔長為250mm。每個圍油欄共有20節，即20個浮體。

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

3 圍油欄的模擬

本文對圍油欄的數值模擬計算假定是在無風條件下，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動，如果在數值模擬時將圍油欄固定起來，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，這并不符合實際海況，這樣會導致實驗結果有誤。另外，在進行攔油模擬實驗時，中心處的水流流速將達到最大，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，圍油欄的中心區是本次數值模擬實驗的重點。根據這種分析，可以將實際海況中的三維問題簡化為二維模型。在計算過程中，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，計算中油、水被認為是不可壓縮的。因為油水是互不相溶的，存在明顯的相界面，而數值模擬的關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數法（VOF方法），它采用體積分數函數跟蹤兩相界面，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算法求解動量方程，流體初始狀態為空氣一水混合物。

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

3.1 傳統圍油欄的模擬

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

本文對傳統圍油欄進行的數值模擬與Delvigine的實驗結果和張博、安長發等人的模擬結果相比較，結果見表1。

本文模擬結果與實驗結果吻合，說明本文模型正確，計算方法合理有效。

在此基礎上，本文參考魏芳等人的模擬結果，利用此模型對高粘度油進行模擬，設定水流速度0.19m/s，圍油欄攔油量為0.005m3/m，在t=21.6s時圍油欄有少許溢油流出，繼續模擬至1200s，油層在一段時間內處于穩定狀態，如圖8所示；當改變水流速度為0.20m/s時，圍油欄在t=43.4s時發生油滴夾帶失效，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 本次設計圍油欄的模擬

本文以 Delvigine， Johnston 等人的實驗和安長發、張政等人對傳統圍油欄做的數值模擬計算為基礎， 對傳統圍油欄以及本次設計的圍油欄的攔油性能進行數值模擬，并進行比較。在前人模擬的基礎上，本文只對圍油欄形狀進行了改變，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，進油口左上角頂點向下0.005m。考慮到水流的速度和密度等因素，計算區域全部用水填充。為了增加計算的速度，采用規則四邊形結構網格對此物理模型進行劃分。

3.2.1 低粘度油

低粘度油參數：密度取888kg/m3，粘度7.0×10-5m2/s。

當水速u=0.25m/s時，油層在擋板前不斷變厚直至達到穩定狀態，沒有油層泄露，模擬至1200s前后很長一段時間內的油水兩相分布如圖11所示；改變水的流速為0.26m/s，當t=43.8s時圍油欄發生油滴夾帶失效，如圖12所示。因此在低粘度油泄露的情況下，此設計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：密度取915kg/m3，粘度3.6×10-3m2/s。

當將溢油特性設置為高粘度油時，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，圍油欄都沒有穩定狀態，但所有水速條件下油層運動都有相似的規律，即在某一時刻后圍油欄開始發生夾帶失效，隨著溢油的增多，溢油在圍油欄前積聚并越過圍油欄，直至停止進油圍油欄都不能正常圍控溢油。以0.19m/s為例：當水速為u=0.19m/s，t=69.1s時油層開始從圍油欄底部發生小部分泄漏，如圖13所示，隨著時間的增加，泄漏量不斷增多，如圖14所示，進油結束直至1000s的時間內，油層向圍油欄后方移動，如圖15所示；改變水速至0.20m/s，t=97.5s時圍油欄發生油滴夾帶失效，其余油水運動規律與此相同。

3.2.3 模擬結果對比

將本次設計的新型圍油欄在高低粘度油下的臨界失效速度以及發生失效所需時間與傳統圍油欄進行對比，如表2所示。

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

4 結語

本文為改善圍油欄在內河急流水域中易傾覆的情況提出了支架結構設計，并對圍油欄進行了受力分析和強度校核，以保證圍油欄在平靜乃至急流水域的穩定性，為圍油欄的設計提供借鑒；對圍油欄進行Fluent數值模擬分析后發現此設計在高低粘度溢油的情況下均有相應的優勢，可提高溢油應急處置的有效性。

參考文獻：

[1] 楊毅，陳志莉，李穎，肖曉，但琦，楊廷鴻，任振杰，歐陽琳. 基于GNOME和ADIOS的墨西哥灣溢油污染數值模擬[J].海洋環境科學，2013，32（4）：599-604.

[2] JT/T465-2001.圍油欄[S].2001.

[3] 連朔. 膠州灣重大溢油事故圍油欄圍控方案研究[D].大連，大連海事大學，2014.

[4] 魏芳，劉曉峰，林建國，許穎，高清軍. 圍油欄性能優化的數值模擬[J].交通節能與環保，2007（06）.

[5] Delvigine G A L. Barrier failure by critical accumulation of vicious oil. Procedings of Oil Spill Conference. San Antonio， TX， USA. 1989.143- 148.

[6] 張政， 程石勇， 李晗， 安長發.應用 VOF 方法對水流中圍油柵圍油失效進行數值模擬嘗試[J].環境科學學報， 1999，19（6）：604- 609.

[7] 張博.圍油欄攔油及受力特性數值模擬研究[D].大連，大連海事大學，2013.endprint