管道水下溢油運動特征二維模型試驗研究

肖 輝,陽志文

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

在水下管道運行過程中，因管道滲漏、穿孔及破碎等原因，造成的溢油事故將給海洋生態環境帶來不利影響[1]。水下管道溢油一般會經歷從泄漏點溢出后在水體中輸移擴散和到達海面上漂移擴散兩個階段，同時會發生系列復雜的物理、化學和生物變化過程，形成不同的溢油歸宿[2]。為有效預防和減輕溢油事故造成的環境破壞，需了解溢油的運動和擴散規律，從而對溢油運動的軌跡及其擴散范圍給出科學合理的預報。

目前對溢油運動行為的研究多基于現場試驗或數值模擬研究，針對海面溢油行為的研究形成了溢油擴展模型[3]、油粒子模型[4-5]和對流擴散模型等[6-8]。與海面溢油相比，水下溢油行為有所不同，相關研究主要以數值模擬為主，如 Yapa和Zheng[9-10]采用浮射流理論，建立了三維數學模型對溢油的擴散和溶解過程進行了模擬。李志剛等[11]采用有限體積法，結合k-ε紊流模型，采用VOF方法追蹤多相流界面，建立了海流作用下海底輸油管道溢油擴散數值模型，并驗證了數值模型的可靠性，在此基礎上，研究了不同原油溢出速度與環境水深對溢油軌跡、到達海面時間、橫向漂移距離與海面擴散范圍的影響。

本研究從流體力學試驗模型相似準則出發，遵循重力相似準則，在二維波流水槽中對管道水下溢油進行了物理模型試驗研究。在不同溢油初始溢出速度和不同水動力條件下，對溢油的運動形態、溢油上升時間、代表點處平均速度、溢油擴散寬度等特征進行觀測分析，得到管道水下溢油的運動軌跡、擴散形態及其影響。

圖1 模型試驗總體設計及水槽布置簡圖Fig.1 General design of model test and flume layout

1 試驗布置及方法

1.1 試驗布置

試驗布置在波流水槽中(見圖1)，水槽首尾兩端的入流口和出流口用管道連通，利用可逆泵抽水的方式造流。為保證水流流速的平穩有效，選取水槽中間段為溢油試驗段，溢油點前端布置流速儀對流速進行監測，溢油管埋設于槽底，油從油箱上的油嘴垂直向上噴出。水槽尾端設有吸油棉條對試驗產生的溢油進行吸收。

試驗模擬全過程采用攝像設備進行記錄，后期通過圖形處理及數據分析，提取出溢油運動的相關物理量。

1.2 試驗方法

(1)水流模擬。試驗采用單向恒定流，利用小威龍流速儀對沿垂線方向的0.2h、0.4h、0.6h、0.8h、1.0h(h表示水深)5個測點的ui(i=1, 2,…,5)進行測量，由下式計算得出垂線平均流速

(1)

式中：γi為該層流速的權重。

(2)初始溢出速度模擬。在溢油孔徑不變的情況下，溢油初始溢出速度取決于單位時間溢油量。試驗時采用變頻器控制的油泵將油從油箱中抽出，再從溢油口噴出，單位時間溢油量即通過變頻器來有效控制。采用質量控制法進行單位時間溢油量的率定，在油密度已知的情況下，單位時間溢油量可按下式計算

表1 初始溢出速度與單位時間溢油量關系Tab.1 Relationship between initial overflow speed and oil spill per unit time

表2 試驗組次Tab.2 Test groups

(2)

式中：Qoil為單位時間溢油量，m3/s；moil為油的質量，kg；ρoil為油的密度，kg/m3；t為油流出的時間，s。率定試驗中，油的質量采用高精度電子天平精確測量(可精確到0.1 mg)，時間用秒表記錄。經反算后得到試驗采用的初始溢速度與單位時間溢油量的關系見表1。

1.3 試驗條件

本研究主要針對不同水流流速、不同初始溢出速度下的溢油運動過程進行試驗，試驗條件及組次安排見表2。

2 試驗現象及結果分析

2.1 溢油運動形態

2-a 靜水 2-b 純流圖2 水下油粒子運動軌跡Fig.2 Trajectory of oil particles underwater

圖2給出了某一時段內靜水和動水下的水下油粒子運動分布的疊加圖。

從圖中可以看出，靜水時油粒子的運動軌跡基本上豎直向上，范圍在圍繞其主軌跡線的倒椎體內，水面溢油對稱分布在主軌跡線周圍。純流作用時，油粒子順水流方向斜向上運動，軌跡線較平順光滑，水面溢油分布仍以主軌跡線為中心往兩側擴散，但順流方向擴散范圍增大。總體來看，油粒子上升過程中均以油帶的形態呈現，孔口位置處最細，靠近水面部分粗，形成一個倒錐形。

2.2 溢油上升時間

圖3繪制了溢油上升時間t0隨水流流速和初始溢出速度的變化趨勢，從圖中可以看出，溢油上升時間隨著水流流速的增大而增大，隨著初始溢出速度的增大明顯減小。受水流的影響，油與水體的摻混、摩擦、紊動等效應增強，從而間接地降低了油粒子的上升速度，導致溢油時間呈增大的趨勢；但初始溢出速度增大，使得油向上溢出的速度增大，因而上升時間顯著變短。

圖3 溢油上升時間隨水流流速、初始溢出速度的變化曲線Fig.3 Change curve of spilled oil rise time with flow velocity and oil initial overflow speed

總體來看，溢油上升時間與孔口初始溢出速度的對數呈線性負相關，與水流流速成線性正相關，以初始溢出速度的影響為主。

2.3 油粒子代表點平均運動速度

取一半水深處的粒子速度Vh/2作為代表點處的油粒子平均速度，對其沿水深向上的垂向速度分量V-zh/2和沿著水槽方向的橫向速度分量V-xh/2分別進行考慮。

表3和表4分別給出了油粒子代表點垂向平均速度分量和橫向平均速度分量隨水流流速和初始溢出速度的變化值。從中可見：(1)油粒子垂向速度分量隨著水流流速的增大而減小，隨著初始溢出速度的增大而增大，初始溢出速度的影響略大于水流流速的影響；(2)油粒子橫向速度分量隨水流流速的增大而明顯增大，與初始溢出速度的變化無明顯相關性，可見水流流速是影響油粒子橫向運動的主要因素。

表3 不同水流流速和初始溢出速度下的油粒子代表點垂向速度分量Tab.3 Representative vertical velocity of oil particle with different flow and oil initial overflow speed m/s

表4 不同水流流速和初始溢出速度下的油粒子代表點橫向速度分量Tab.4 Representative lateral velocity of oil particle with different flow and oil initial overflow speed m/s

2.4 水面溢油擴散寬度

水面溢油擴散范圍考慮的是油已經上升至水面后的擴散運移特征，分為沿水槽方向的橫向寬度Bx以及垂直水槽方向的縱向寬度By，圖4分別給出了10 s時刻橫向擴散寬度和縱向擴散寬度隨水流流速和初始溢出速度的變化。

從圖4中10 s的溢油擴散結果來看：(1)橫向擴散寬度均隨著流速增大而增大，隨初始溢出速度的增大而明顯增大。水流流速越大，橫向寬度越大，說明水流具有將水面油膜“拉長”的效應。初始溢出速度增大，溢油上升至水面后其擴散速度就會加強，從而使得橫向擴散寬度增寬。總體來看初始溢出速度仍然是主要影響因素；(2)縱向擴散寬度隨初始溢出速度、水流流速改變的變化規律與橫向擴散寬度基本一致，但水流流速的作用不如對橫向擴散寬度的影響明顯。

圖4 不同水流流速和初始溢出速度下的溢油水面橫向擴散寬度和縱向擴散寬度Fig.4 Horizontal and vertical diffusion width at water surface with different current and initial overflow speed

3 結論

本研究針對不同初始溢出速度、不同水流流速作用下的水下管道溢油開展了水槽試驗，研究了原油自水下管道漏點溢出后運移擴散至水面的整個運移擴散過程。從試驗結果來看，兩組因素中影響溢油上升時間、油粒子代表點處平均速度垂向分量及溢油擴散寬度的以溢油初始溢出速度為主，影響油粒子代表點處平均速度橫向分量的因素中以水流流速為主，試驗結果可為進一步開展相關溢油數值模擬研究提供參考。