基于CFD的海底輸油管道泄漏擴散數值模擬研究

李明鑫 王為民 申龍涉 鄧桂春

(泉州職業技術大學—福建省清潔能源協同創新中心， 福建 晉江 362268)

關鍵字：海底管道，泄漏，擴散，數值模擬

0 引言

隨著海上油氣田的開發和開采工藝技術的發展，海底管道在生產運輸石油、天然氣全過程中具有不可代替的重要作用。但管線一旦發生泄漏事故，泄露油品在上升、擴散的過程中會直接污染海水水質，對周圍的海洋生物造成危害，泄漏后漂浮在海面的油品還對海洋的生態環境造成嚴重的破壞。因此，對泄漏油品在海水中的運動、擴散問題進行研究就顯得尤為的重要。

由于石油、天然氣等一次性資源消耗量的不斷加重，陸地上所開采發掘的石油資源的產量已經遠遠不能達到我們每天所消耗的需要，因此人類將石油開發逐漸向海洋發展[1]。但海底的環境比陸地的環境復雜，導致了海底輸油管道外部更加容易受到各種因素的破壞和干擾。并且海底管道投資大、風險高，一旦出現管道油品泄漏事故，泄漏的油品將對海洋環境造成嚴重的污染，也給當地的環境帶一定的沖擊[2]。

在現實的海水流動中海底輸油管道泄漏一般要先經歷在海水中的射流流動過程，再到泄露至海面后在海上的擴散過程。所以，管道泄漏后泄漏油品射入海水是在水流流動的狀態下進行流動擴散的，而由于水流流動的作用，泄漏油品不僅通過自己泄露的壓力作用向上擴散還會因為水流和潮汐流動的作用向下游或四周擴散。在從泄漏到漂浮的過程中泄漏油品的濃度，泄露面積以及泄露速度都會發生一定程度的變化。

本文試圖通過采用計算流體力學和fluent軟件的多相流模型對海底管線泄漏的擴散及海面浮油進行研究，為海洋水質生態環境的影響研究提供一種方法和依據。

1 海底輸油管道泄漏擴散的影響因素分析

1.1 泄漏口徑對擴散的影響

在管道泄漏中泄漏源對泄漏擴散的范圍有不可避免的影響。根據泄漏面積的大小，泄漏源一般分為三種：第一種為小孔泄漏，這種情況通常為介質經過比較小的孔口長時間的持續向外泄漏，第二種是大孔泄漏，指在很短時間內經過較大的孔洞泄漏；第三種是管道破裂。

1.2 水流對擴散的影響

水流的大小與水流的流動方向都對油品的擴散產生影響。水流的速度可以影響泄漏的面積及距離，對油的擴散起到推動的作用，而且加劇物質間的傳熱和傳質。因此水流的流動方向可以改變油泄漏的擴散軌跡及在是水中擴散的位置。

2 FLUENT 模擬計算結果

2.1 不同孔徑的泄漏分布

本文分別模擬當泄露速度為3m/s時，0.02m，0.08m和0.3m三種不同泄露孔徑下油品泄露的擴散分布。

從圖1～圖3的云圖可以看出，泄漏孔徑為0.02m、0.08m、0.3m時，油的噴射高度分別在在2.5～3m、4.5～5m、8～8.5m。隨著孔徑的增大管道泄露濃度隨之增大，噴射高度也依次增加，而且由于重力的作用，油會從射核兩側向下分布的也越明顯。

圖1 孔徑0.02m 泄漏云圖

圖2 孔徑0.08m泄漏云圖

圖3 孔徑0.3m泄漏云圖

從圖4～圖6速度梯度圖可以看出泄漏的出口速度在達到一個頂峰之后會向兩側擴散。當口徑為0.02m時，速度向兩側擴散的范圍泄漏為中心的兩側的1m區域內，口徑為0.08m時，擴散的范圍增大為中心兩側2m的范圍，當口徑為0.3m時，速度的擴散范圍擴大到了8m左右。而且可以看出隨著口徑的增大速度梯度的改變也更加明顯。

圖4 孔徑0.02m速度梯度圖

圖5 孔徑0.08m速度梯度圖

圖6 孔徑0.3m速度梯度圖

從以上分析可以得到隨著泄漏口徑的增大，向高空噴射的趨勢更加明顯，噴射高度以及噴射的質量也隨之升高；泄漏射核區的泄漏速度、泄漏后擴散的速度值在海水中的分布與泄漏孔徑的大小有關，泄漏口徑越大泄漏的速度越大，速度分布的范圍也越廣。

2.2 泄漏速度的影響

泄漏速度不同，噴射出流的射程也會不同，擴散情況也會發生變化。對于改變速度的模擬計算，本文以0.08m的泄漏口徑為固定項，通過模擬1m/s，3m/s，7m/s三個速度的泄漏濃度分布。

通過泄漏云圖7～圖9所示，在相同口徑不同速度下的泄漏情況。當泄漏速度為1m/s時，泄漏噴射高度為2～2.5m之間，泄漏頂端向兩側下落的趨勢不明顯，在泄漏速度為3m/s時，噴射高度為4.5m～5m左右，泄漏油品從最高處回落了1m的距離，當泄漏速度為7m/s時，噴射的高度為7.5～8m之間，油品受重力的因素便顯得更加明顯，油品由最高處的8m向兩側下降至5m左右。所以隨著泄漏速度的變大，泄漏的油品濃度增加，泄漏體積也不斷增大。出口速度越大，噴射距離越遠。達到海面的時間越短，擴散的面積也越大。

圖7 1m/s時泄漏云圖

圖8 3m/s時泄漏云圖

圖9 7m/s時泄漏云圖

2.3 水流對泄露的影響

在海底的實際環境中，水流的狀態是流動的。本文以0.3m泄露口，7m/s泄漏速度為基礎，分別對0.1m/s，0.5m/s水速對油擴散的影響進行分析。

通過圖10～圖13的云圖可以明顯的看到通過改變水流的速度，管道內泄露的油品因為收到了水流流動的影響都向水流的下風向產生了偏移。隨著流速的增大傾斜的角度也隨之增大，泄漏擴散的范圍也明顯向右偏轉，向下游移動的趨勢更為明顯。可見水流的流動對油的擴散起到了輸送的作用。通過速度梯度圖說明水流的速度對泄露的擴散速度影響不大，泄漏的射流只是向下游發生了偏移，但是速度并沒有改變。

圖10 0.1m/s水速 泄漏云圖

圖11 0.5m/s水速 泄漏云圖

圖12 0.1m/s速度梯度圖

圖13 0.5m/s速度梯度圖

圖14 ～圖15為泄漏擴散后的擴散云圖，當水流速度為0.1m/s時，泄漏油品仍以射流的主體向上擴散，泄漏油品大量的漂浮在海面之上。當水流流速為0.5m/s時，由于水流的增大，泄漏的射流主體被水流沖散，泄漏的油品在水下大面積的擴散。水流越大泄漏到達海綿的時間越長。由此可以發現，水流越大，泄漏油品在水下的污染范圍越廣，對海洋環境及海洋生物危害更加嚴重。后續的清理工作也更加的費時。

圖14 0.1m/s 泄漏云圖

圖15 0.5m/s泄漏云圖

3 結論

輸油管道在海水中泄漏后，在短時間內會在泄露口處形成噴射流動，噴射的高度與噴射的速度都會根據泄漏初始條件的改變而發生變化。隨著泄漏口徑的增大，向高空噴射的趨勢更加明顯，噴射高度以及噴射的質量也隨之升高；泄漏射核區的泄漏速度、泄漏后擴散的速度值在海水中的分布與泄漏孔徑的大小有關，泄漏口徑越大泄漏的速度越大，速度分布的范圍也越廣。所以隨著泄漏速度的變大，擴散區域會同樣會擴大。而且在同一時刻，泄漏的油品濃度隨速度的增大而增加。泄漏體積也不斷增大。管道泄漏后在海底的泄漏擴散過程中，濃度的分布和速度變化的趨勢一致。通過改變水流的速度，管道內泄露的油品因為收到了水流流動的影響都向水流的下風向產生了偏移，水流速度越大擴散越容易，泄漏油品污染的區域也隨之增大。