浮子式圍油欄攔油效果及形狀優化的數值模擬

楊浩天，張 川

（中國港灣工程有限公司，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，是用來阻止溢油擴散、縮小溢油面積、為清除溢油及保護水域提供便利的簡易而有效的設備，近年來得到廣泛應用。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；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]對傳統實心圍油欄進行形狀優化（柔性圍油欄和正（余）弦波圍油欄等），優化的圍油欄形狀過于復雜，在現實環境中難以應用；魏芳等[3-5]采用數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），在此基礎上改進傳統單體圍油欄的外部結構，研究結果表明，通過數值手段優化圍油欄結構具有可行性。

本文通過數值仿真手段模擬不同裙擺結構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計參數之間的關系，為圍油欄攔油技術的改進和性能優化提供一些合理、可靠的數據參考和方法。

1 計算方法

1.1 控制方程

控制方程包括連續性方程、動量方程、紊動能方程和紊動能耗散率方程。

1) 連續性方程為

2) 動量方程為

3) 紊動能方程為

4) 紊動能耗散率方程為

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

1.2 物體運動和自由表面的處理

盡管圍油欄近年來得到廣泛使用，但國內外相關研究工作開展得并不充分。當以數值手段模擬溢油圍控過程時，通常假設圍油欄是固定不動的或僅可做垂向升沉運動[6-7]，這不能真實反映圍油欄在波流場作用下的溢油圍控過程。因此，本文在已有研究的基礎上充分考慮圍油欄的幾何形狀和浮重比等因素，采用GMO流固耦合模塊計算固體浮子式的運動[8]，運動方程為

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為圍油欄的質量；[J]為圍油欄的轉動慣量；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的流體體積函數F的輸運方程，即

2 模型建立

數值波浪水槽長15.0m，寬0.5m，高1.1m，試驗水深0.8m；水槽左側設置造波裝置，右側設置孔隙消浪結構（見圖1）。根據經驗，孔隙消浪結構的孔隙率取0.8，粒徑取0.1。根據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構和溢油的密度。為研究不同裙擺形狀對圍油欄攔油效率的影響，本文設計8種改進裙擺固體浮子式圍油欄（參數和形狀見表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。在數值模擬過程中，通過調整圍油欄配重，保證圍油欄浮力與重力的比值（B/W）為1:6。此外，數值模擬過程中忽略配重形狀對周圍流體的影響，將圍油欄配重對其水動力特性的影響折算到圍油欄裙擺質量和轉動慣量中。在圍油欄前布置厚度為0.02m、長度為0.5m的薄油層，溢油油品密度為850kg/m3和950kg/m3，黏度均為3000mm2/s。圍油欄迎浪側配置2根錨鏈，以限制圍油欄沿數值水槽縱向移動，其中錨鏈長度取1.0m，錨鏈剛度K=5×104N/m。計算網格最大尺寸為2.0cm×2.0cm，在水面處一個波高范圍內和圍油欄周圍對網格進行加密，尺寸取為0.5cm×0.5cm。網格縱橫比均控制在1.25以內（見圖3）。

圖1 數值水槽示意

表1 圍油欄結構參數

圖2 圍油欄類型示意

圖3 圍油欄附近網格剖分

CORMARK[11]的研究結果表明，圍油欄失效的臨界速度為0.25～0.50m/s，且當水流速度＞0.50m/s時，無論圍油欄的欄深多大，攔油都會失效。開展該試驗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浮子式圍油欄攔油效果的影響。因此，該試驗中水流流速為0.30m/s，測試波況為無浪及波高H=0.06m，波周期 T=1.3s。圍油欄結構示意見圖4。

3 結果分析

圖4 圍油欄結構示意

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朝著離岸方向傾斜（見圖5a））；當欄前溢油累積厚度超過圍油欄有效吃水深度時，油層流失失效發生；當波峰靠近圍油欄時，圍油欄逆時針轉動（見圖5b））；當波谷靠近圍油欄時，圍油欄順時針轉動（見圖5c）），有效吃水深度減小；當欄前溢油逐漸在欄前端聚集時，油層厚度逐漸增加，直至超過圍油欄有效吃水深度時，油層流失失效發生。

3.2 圍油欄臨界失效狀態

圖6為不同形狀圍油欄發生臨界失效時的溢油瞬態圖。對于傳統圍油欄，一旦欄前滯油厚度超過圍油欄迎水有效吃水深度，滯油失效立即發生。對于改進Ⅰ類圍油欄，圍油欄在波流作用下整體姿態向后傾斜，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剛性圍油欄大。對應地，在相同波流條件下，滯油量有所改善。對于改進Ⅱ類圍油欄，在相同波流條件下，其傾斜角度相比傳統圍油欄和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流作用，使得圍油欄前形成一個穩定的環流，溢油在水流的作用下達到圍油欄末端時會順著裙擺迎浪面內側向上運動，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 不同形狀圍油欄發生臨界失效時的溢油瞬態圖

對于同類型改進的圍油欄而言，其前折角度和長度同樣會對臨界失效過程產生影響。一般來說，在本文的對比算例中，前折角度越大、前折長度越長，滯油能力越強。對比C型和E型圍油欄可發現，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欄前滯油長度的影響。從表2中可看出：當欄前滯油發生初始失效時，波流作用下的欄前滯油長度要明顯小于純水流作用下的“停滯長度”，這主要是由于波浪的凈輸移作用。輕質溢油的欄前滯油長度相比密度較高的溢油的欄前滯油長度更長，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生圍控失效。此外，欄前滯油長度隨著裙擺前折角度的增大而不斷增長。當前折角度達到45°時，其欄前滯油長度要比傳統無折角圍油欄長約30%。

圖7 C型和E型圍油欄臨界失效對比

表2 裙擺前折角度對欄前滯油長度的影響

一般來說，前轉角圍油欄的滯油能力要低于前折圍油欄（見圖8）。進一步地，由裙擺彎曲形態對欄前滯油長度的影響（見表3）可知：當D1/D2=1時，D型圍油欄欄前滯油長度比H型圍油欄長出約0.03m；當D1/D2=2時，圍油欄裙擺形態對欄前滯油形態的影響不顯著。

圖8 B型和E型曲壁圍油欄臨界失效對比

表3 裙擺彎曲形態對欄前滯油長度的影響

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，控制造波個數為15個，對比15個波經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荷載作用下，裙擺會發生周期性的擺動，迎水阻油面積減小。對于相同形態的圍油欄來說，不同傾斜角度對圍油欄滯油效能的影響也是不同的。總體來說，前折角度越大，前折長度越長，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 語

本文運用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。數值試驗結果表明：圍油欄所處水流、波浪條件會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。