圍油欄水動力特性大比尺物理模型試驗研究

黃傳朋，王晨陽，金瑞佳，陳松貴，王收軍

(1.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；2.大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，大連 116024； 3.天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

石油資源是主要利用的能源之一，其需求量也不斷增長，與此同時海上溢油事故發生的次數也不斷增長，不僅造成了巨大的資源浪費而且嚴重污染了海洋的生態環境。圍油欄是溢油應急處置的基本設施，可以有效圍控和集中、溢油導流和防止潛在溢油，減少對海洋環境的影響。中國交通運輸部于2001年發布實施《圍油欄》(JT/T465-2001)設計標準。由于缺乏大比尺波浪水槽物理模型實驗，圍油欄設計標準中沒有對圍油欄的抗風抗浪性、隨波性、攔油能力等指標提出具體的測試方法，使圍油欄設計滯后。因此，利用大比尺波浪水槽物理模型實驗對圍油欄的水動力性能進行測試，可以提升我國圍油欄開發設計的水平。

1 引言

為了深入研究圍油欄的水動力特性以及攔油效果，很多學者開展了物理模型試驗研究和數值模擬研究。Ventikos等人[1]研究了圍油欄浮子形狀對其攔油性能的影響。研究結果表明：剛性浮子圍油欄抗水流能力較強，柔性以及半剛性浮子圍油欄抗風浪能力較強。Delvigine等[2]采用物理模型試驗研究某一重油的攔油失效問題，并發現了低粘度油的反射現象。該實驗結果在后續的研究中被很多學者進行對比引用(Goodman等[3]、Brown等[4]、張政程等[5]、Clavelle和Roowe[6])。李紹武等人[7]進行了波流作用下浮子式圍油欄運動響應研究，分析圍油欄的最小吃水及最小干舷高度與圍油欄的尺度、波流要素間的關系。由于圍油欄物理模型實驗較為復雜，因此更多的學者進行數值模擬研究，寧成浩[8]利用不可壓縮油水兩相流數學模型，模擬了不同粘度油品的攔油失效過程。封星[9]基于N-S方程和VOF方法針對不同海況下的圍油欄攔油失效進行預測，分析不同海況時油品參數和圍油欄欄深與攔油失效速度之間的關系。張博[10]應用FLUNT對圍油欄的攔油特性和結構優化進行了數值研究，發現圍油欄的形狀和大小對攔油效果影響很大，尺寸的增加和結構的復雜化也會提高攔油效果。張濤濤[11]基于FLOW3D建立了三維數值波浪水槽，計算了圍油欄在波浪作用下的受力情況，然后應用ANSYS對圍油欄的應力應變進行分析。Shi等人[12]通過圍油欄浮子物理模型試驗研究了不同環境因素、群體長度和浮重比對有效吃水和干舷高度的影響。上述學者大部分都是對圍油欄的攔油性能進行研究，而且大多基于二維模型進行分析，而實際海洋中，由于圍油欄中兩個相鄰浮體受到的水動力特性不完全一致，因此進行三維水動力分析就顯得尤為必要。本文基于上述背景，進行了圍油欄三維水動力大比尺物理模型實驗，分析了在不同波浪工況下和波浪水流聯合作用下的圍油欄水動力特性，為實際工程及三維數學模型的建立提供了有效的實驗數據。

2 實驗設施和實驗方案

2.1 實驗設施

該實驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院大比尺波浪水槽[13-14]中完成(后文簡稱“大水槽”)。試驗圍油欄總長18.69 m，共11節，每節浮子長1.35 m，連接段長0.32 m。如圖1所示。圍油欄在水槽中呈U型布置，兩端通過拉力傳感器固定水槽邊壁上。圍油欄距離造波板260 m，在圍油欄不同浮子上布置六分量傳感器，具體在水槽中布置如圖2所示。

圖1 水槽中使用的原型圍油欄(單位:m)Fig.1 Prototype oil boom in the flume圖2 水槽中固定圍油欄布置型式Fig.2 Fixed oil boom layout in LWF

表1 各試驗組次波浪要素Tab.1 Wave parameters of each test case

表2 各組次水流速度Tab.2 Current velocity of each test case

本次試驗中測量圍油欄受力的拉力傳感器為應變式，量程為250～1 200 N(25～120 kg)，可以在水下工作，安裝如圖2所示。而測量圍油欄不同浮子六自由度運動采用Polhemus電磁式位置跟蹤系統,該系統主要由數據處理與控制部分、電磁信號發射部分、電磁信號接收部分和電磁定位算法等組成，利用電磁定位算法將數據解算出目標物體的位置姿態信息，能夠非常方便地追蹤任何非金屬物體的運動軌跡，各傳感器布置圖2如所示。

2.2 實驗方案

本次試驗中，結合試驗所研究問題的性質和試驗設備能力，決定采用比尺λ=1的原型物模型試驗。實驗水深為3.0 m，入射波浪采用規則波，周期從4.0～7.0 s，間隔1.0 s，波高0.2 m、0.4 m和0.6 m，表層流速0.1 m/s，0.2 m/s和0.3 m/s。分別進行了純波浪作用下和波浪、水流聯合作用下圍油欄受力分析和不同浮子運動響應分析，具體工況如表1和表2所示。

3 實驗結果分析

3.1 圍油欄受力分析

試驗中，將兩個水下拉力傳感器測得拉力結果相加，得到圍油欄在環境荷載下的受力情況。波浪水流聯合作用下的圍油欄受力分析可以為行進在實際海域中的拖船拖曳圍油欄提供數據參考。測量結果如圖3所示，圖3-a、3-b、3-c分別為波高0.2 m，0.4 m和0.6 m，不同流速情況下圍油欄的受力情況，圖中橫坐標為波浪周期，縱坐標為圍油欄受力。

3-a 波高H=0.2 m3-b 波高H=0.4 m3-c 波高H=0.6 m圖3 波浪、水流聯合作用下圍油欄最大拉力Fig.3 The maximum wave force of the oil boom in waves and currents condition

從圖3可以看出，在相同波高和周期的情況下，圍油欄的受力隨著水流流速的增大明顯增大，接下來進行圍油欄受力對環境參數的敏感性進行分析，分析水流、波高以及周期對圍油欄受力的影響，如圖4所示，圖4-a中 (Tvi/Tvj)asr表示vi流速下最大拉力與vj流速下最大拉力比值的算術平方根，圖4-b中THi/THj表示Hi波高下最大拉力與Hj波高下最大拉力的比值。

4-a 流速影響4-b 波高影響圖4 波浪、水流聯合作用下圍油欄對環境參數的敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of the oil boom on the environmental parameters in different waves and currents condition

從圖4-a中可以看出當波高0.2 m,流速vi=0.3 m/s和vj=0.1 m/s比值為3時，其對應拉力比值的算術平方根也在3附近。流速vi=0.2 m/s和vj=0.1 m/s比值為2時，其對應拉力比值的算術平方根也在2附近。流速vi=0.3 m/s和vj=0.2 m/s比值為1.5時，其對應拉力比值的算術平方根也在1.5附近。當波高為0.4 m和0.6 m時與波高為0.2 m時結果相似。可以得出圍油欄受力基本與水流流速成平方關系。從圖4-b中可以看出流速為0.3 m/s,波高的比值越大，拉力的比值也越大，但是沒有流速比影響大，而同一波高流速，不同周期情況下，拉力差別不是很大。經對比分析可得，在各個環境荷載中，圍油欄對水流流速最為敏感，波高其次，波浪周期對其影響最小。因此，圍油欄在水流作用下或者圍油欄被拖船拖拽時期，要特別考慮其纜繩的受力。

3.2 圍油欄浮子運動響應分析

試驗中，對圍油欄不同浮子的運動響應進行了測量，其中測點1為緊貼水槽壁浮子中央，測點3位于圍油欄正中間浮子中央，測點2居于測點1和測點3之間，測量結果如圖5所示。圖5為純波浪作用下各浮子的位移情況。

5-a 波高H=0.2 m5-b 波高H=0.4 m5-c 波高H=0.6 m圖5 純波浪作用下圍油欄上各浮子位移幅值Fig.5 Motion response amplitude of different floaters on the oil boom in regular waves condition

從圖5看出：相同的波高，隨著周期的增大，縱蕩變化幅度比較大，橫蕩和升沉變化不明顯，說明縱蕩運動相對橫蕩運動和升沉運動對波浪周期更為敏感。在相同的波高和周期條件下，整體而言中間浮子的縱蕩運動遠大于橫蕩運動，而兩側的浮子縱蕩運動和橫蕩運動相差不大，因此垂直波浪方向圍油欄浮子要重點關注其沿波浪方向運動。同時，試驗結果表明，各個浮子的運動響應幅值對波高較為敏感，基本同波高成線性關系。

6-a 縱蕩結果6-b 升沉結果圖6 波流作用下浮子1的縱蕩和升沉位移幅值Fig.6 Surge and heave motion amplitude of floater 1 under wave and current condition

7-a 縱蕩結果7-b 升沉結果圖7 波流作用下浮子2的縱蕩和升沉位移幅值Fig.7 Surge and heave motion amplitude of floater 2 under wave and current condition

8-a 縱蕩結果8-b 升沉結果圖8 波流作用下浮子3的縱蕩和升沉位移幅值Fig.8 Surge and heave motion amplitude of floater 3 under wave and current condition

從圖6～圖8中看出，相同的波高和流速，隨著周期的增大，浮子的縱蕩運動幅值變化比浮子的升沉幅值變化大。說明，周期對各個浮子的水平運動有促進效果，而對各個浮子的升沉運動影響比較小。對相同的波高和周期，在不同流速的情況下，浮子的縱蕩運動幅值在有水流的情況下小于無水流情況下，而升沉運動幅值在有水流情況下大于無水流情況下，說明水流對各個浮子的水平運動起到了抑制作用，而各個浮子在水流的作用下升沉運動更加劇烈。相同流速和周期，波高越大，縱蕩和升沉的位移幅值都變大。說明波高對各個浮子水平運動和升沉運動都有促進作用。綜上所述，波高是影響各個浮子水平運動和升沉運動的主要因素。

4 結論

本文通過大比例尺水槽試驗研究了圍油欄受力和不同浮子的運動響應，分析了不同因素對二者的影響得到以下結論：

(1)在波流組合的情況下，圍油欄受力基本與水流流速成平方關系。在各個環境荷載中，圍油欄受力對水流流速最為敏感，波高其次，波浪周期對其影響最小。

(2)在純波浪情況下，縱蕩運動相對橫蕩運動和升沉運動對波浪周期更為敏感。從整體而言中間浮子的縱蕩運動遠大于橫蕩運動，而兩側的浮子縱蕩運動和橫蕩運動相差不大，因此垂直波浪方向圍油欄浮子要重點關注其沿波浪方向運動。同時，各個浮子的運動響應幅值對波高較為敏感，基本同波高成線性關系。

(3)在波流組合的情況下，浮子的縱蕩運動幅值在有水流的情況下小于無水流情況下，而升沉運動幅值在有水流情況下大于無水流情況下，說明水流對各個浮子的水平運動起到了抑制作用，而對升沉運動起到了促進作用。而對于某一流速情況下的各個浮子的運動響應特征，與純波浪作用下的運動響應特征相似。