管道水下溢油運(yùn)動(dòng)特征二維模型試驗(yàn)研究

肖 輝,陽志文

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

在水下管道運(yùn)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(tài)環(huán)境帶來不利影響[1]。水下管道溢油一般會(huì)經(jīng)歷從泄漏點(diǎn)溢出后在水體中輸移擴(kuò)散和到達(dá)海面上漂移擴(kuò)散兩個(gè)階段，同時(shí)會(huì)發(fā)生系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化過程，形成不同的溢油歸宿[2]。為有效預(yù)防和減輕溢油事故造成的環(huán)境破壞，需了解溢油的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散規(guī)律，從而對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)的軌跡及其擴(kuò)散范圍給出科學(xué)合理的預(yù)報(bào)。

目前對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)行為的研究多基于現(xiàn)場試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究，針對(duì)海面溢油行為的研究形成了溢油擴(kuò)展模型[3]、油粒子模型[4-5]和對(duì)流擴(kuò)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(guān)研究主要以數(shù)值模擬為主，如 Yapa和Zheng[9-10]采用浮射流理論，建立了三維數(shù)學(xué)模型對(duì)溢油的擴(kuò)散和溶解過程進(jìn)行了模擬。李志剛等[11]采用有限體積法，結(jié)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(kuò)散數(shù)值模型，并驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性，在此基礎(chǔ)上，研究了不同原油溢出速度與環(huán)境水深對(duì)溢油軌跡、到達(dá)海面時(shí)間、橫向漂移距離與海面擴(kuò)散范圍的影響。

本研究從流體力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則出發(fā)，遵循重力相似準(zhǔn)則，在二維波流水槽中對(duì)管道水下溢油進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究。在不同溢油初始溢出速度和不同水動(dòng)力條件下，對(duì)溢油的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、溢油上升時(shí)間、代表點(diǎn)處平均速度、溢油擴(kuò)散寬度等特征進(jìn)行觀測分析，得到管道水下溢油的運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散形態(tài)及其影響。

圖1 模型試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)及水槽布置簡圖Fig.1 General design of model test and flume layout

1 試驗(yàn)布置及方法

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)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(wěn)有效，選取水槽中間段為溢油試驗(yàn)段，溢油點(diǎn)前端布置流速儀對(duì)流速進(jìn)行監(jiān)測，溢油管埋設(shè)于槽底，油從油箱上的油嘴垂直向上噴出。水槽尾端設(shè)有吸油棉條對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的溢油進(jìn)行吸收。

試驗(yàn)?zāi)M全過程采用攝像設(shè)備進(jìn)行記錄，后期通過圖形處理及數(shù)據(jù)分析，提取出溢油運(yùn)動(dòng)的相關(guān)物理量。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)水流模擬。試驗(yàn)采用單向恒定流，利用小威龍流速儀對(duì)沿垂線方向的0.2h、0.4h、0.6h、0.8h、1.0h(h表示水深)5個(gè)測點(diǎn)的ui(i=1, 2,…,5)進(jìn)行測量，由下式計(jì)算得出垂線平均流速

(1)

式中：γi為該層流速的權(quán)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(shí)間溢油量。試驗(yàn)時(shí)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(shí)間溢油量即通過變頻器來有效控制。采用質(zhì)量控制法進(jìn)行單位時(shí)間溢油量的率定，在油密度已知的情況下，單位時(shí)間溢油量可按下式計(jì)算

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

表2 試驗(yàn)組次Tab.2 Test groups

(2)

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

1.3 試驗(yàn)條件

本研究主要針對(duì)不同水流流速、不同初始溢出速度下的溢油運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及組次安排見表2。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 溢油運(yùn)動(dòng)形態(tài)

2-a 靜水 2-b 純流圖2 水下油粒子運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Trajectory of oil particles underwater

圖2給出了某一時(shí)段內(nèi)靜水和動(dòng)水下的水下油粒子運(yùn)動(dòng)分布的疊加圖。

從圖中可以看出，靜水時(shí)油粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上豎直向上，范圍在圍繞其主軌跡線的倒椎體內(nèi)，水面溢油對(duì)稱分布在主軌跡線周圍。純流作用時(shí)，油粒子順?biāo)鞣较蛐毕蛏线\(yùn)動(dòng)，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(cè)擴(kuò)散，但順流方向擴(kuò)散范圍增大。總體來看，油粒子上升過程中均以油帶的形態(tài)呈現(xiàn)，孔口位置處最細(xì)，靠近水面部分粗，形成一個(gè)倒錐形。

2.2 溢油上升時(shí)間

圖3繪制了溢油上升時(shí)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(shí)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(dòng)等效應(yīng)增強(qiáng)，從而間接地降低了油粒子的上升速度，導(dǎo)致溢油時(shí)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(shí)間顯著變短。

圖3 溢油上升時(shí)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(shí)間與孔口初始溢出速度的對(duì)數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)，與水流流速成線性正相關(guān)，以初始溢出速度的影響為主。

2.3 油粒子代表點(diǎn)平均運(yùn)動(dòng)速度

取一半水深處的粒子速度Vh/2作為代表點(diǎn)處的油粒子平均速度，對(duì)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(jìn)行考慮。

表3和表4分別給出了油粒子代表點(diǎn)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(guān)性，可見水流流速是影響油粒子橫向運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)散寬度

水面溢油擴(kuò)散范圍考慮的是油已經(jīng)上升至水面后的擴(kuò)散運(yùn)移特征，分為沿水槽方向的橫向?qū)挾菳x以及垂直水槽方向的縱向?qū)挾菳y，圖4分別給出了10 s時(shí)刻橫向擴(kuò)散寬度和縱向擴(kuò)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(kuò)散結(jié)果來看：(1)橫向擴(kuò)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?qū)挾仍酱螅f明水流具有將水面油膜“拉長”的效應(yīng)。初始溢出速度增大，溢油上升至水面后其擴(kuò)散速度就會(huì)加強(qiáng)，從而使得橫向擴(kuò)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(kuò)散寬度隨初始溢出速度、水流流速改變的變化規(guī)律與橫向擴(kuò)散寬度基本一致，但水流流速的作用不如對(duì)橫向擴(kuò)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(kuò)散寬度和縱向擴(kuò)散寬度Fig.4 Horizontal and vertical diffusion width at water surface with different current and initial overflow speed

3 結(jié)論

本研究針對(duì)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(yàn)，研究了原油自水下管道漏點(diǎn)溢出后運(yùn)移擴(kuò)散至水面的整個(gè)運(yùn)移擴(kuò)散過程。從試驗(yàn)結(jié)果來看，兩組因素中影響溢油上升時(shí)間、油粒子代表點(diǎn)處平均速度垂向分量及溢油擴(kuò)散寬度的以溢油初始溢出速度為主，影響油粒子代表點(diǎn)處平均速度橫向分量的因素中以水流流速為主，試驗(yàn)結(jié)果可為進(jìn)一步開展相關(guān)溢油數(shù)值模擬研究提供參考。