油船水下破舱原油泄漏模型试验设计

赵卫斌，卢金树，朱哲野，刘枫琛

（浙江海洋学院海运学院，浙江舟山 316004）

模型试验研究是目前油船水下破舱原油泄漏的主要研究手段之一。KARAFIATH与BELL[1-2]为了探讨中层甲板油船和双壳油船搁浅事故中底部破损引起意外溢油的情景，在模型试验中考虑了船体升降运动及海流因素。指出单纯的升降运动对泄漏量基本没有影响，但结合了海流因素，则泄漏量大为增加。研究为美国海岸警卫队研究油船替代设计中评估不同船舶结构的货油泄漏概率提供了理论依据。日本YAMAGUCHI与YAMANOUCHI[3]通过实验研究了静水中某VLCC的1/50模型舱破损双壳模型舱底部破损原油泄漏情景，完成了不同油舱尺寸、结构特征和装载条件下3种润滑油的泄漏试验，验证了模型实验中货物性质及泄漏条件与原型相似的重要性，指出需要模型与原型之间的几何和动力相似。BEATTY等[4-5]针对奥利油和植物油，基于量纲分析制造了1/16的模型舱并开展了一系列模型实验，分别探索了密度大于和小于海水的两种油品的泄漏特征，拓展了早期NOAA对于重油的研究。大连海事大学林建国等[6]指出破舱位置、形状大小等物理参数对船舶溢油量存在一定的影响，并通过二维泄漏实验加以验证。TAVAKOL[7]等完成了侧面及底部破孔的泄漏模型实验，研究了不同液舱结构的泄漏入海量及压载舱的捕获原油的能力。前人虽然对水下破舱原油泄漏进行了大量研究，但多以宏观的泄漏量、泄漏总时间为目标，较少涉及泄漏机理的研究[8-9]。本试验以研究油船水下破舱原油泄漏过程的机理为目标，通过构建缩尺模型以及利用压力传感器、液位传感器以及摄像机等监测手段获取实验数据。

1 试验目的

综上所述，大量文献研究了泄漏总量并分析了多种影响因子的不同效应，关注了泄漏总量，但对泄漏动力学机理尚缺乏深入分析。因此需要进一步对泄漏过程进行瞬态分析，并根据不同阶段的泄漏特征分析影响泄漏行为的具体因素，并重点从微观角度分析整个流动过程不同阶段的流动特征，尤其是压力差泄漏与密度差泄漏过渡阶段的特征。本试验针对油船侧壁水下破舱的典型情景，可以完整包含重力泄漏与体积置换泄漏两个阶段。为了重点实现目标，暂时不考虑海洋环境及船舶复杂结构等因素，以便更直接地发现吃水、装载状况和油品特征（密度及粘度）等相关因子影响泄漏规律。

2 模型试验设计

在油船发生破损时，有多种因素将会影响油品泄漏过程与结果，如风、潮汐、海浪、海流和船舱晃荡等。然而，将所有因素考虑到如此小尺度的在试验中来是有困难的。基于此原因，根据研究静水泄漏情景的需要，选择油品粘度，油品初始液位高度、油舱的结构尺寸以及破孔的位置等因素作为变量，采用模型简化的方法进行试验设计，并作如下假设：

（1）不考虑油船摇晃对油舱液位的影响；

（2）不考虑油船吃水变化对油品泄漏的影响；

（3）不考虑溢油事故发生后油舱结构变化的影响；

（4）保持舱口恒定为一个大气压。

2.1 模型试验的相似准则

模型尺度的油品泄漏与真实泄漏具有相同的水动力现象，且作用在流体质点上的力均为静压力，惯性力以及粘性力。为了便于直接从模型试验中转化结果，模型舱和母型舱必须在几何、运动、动力上达到最大限度的相似。

2.1.1 几何相似

几何相似是指流动的几何空间相似，或模型与原型形状相似，几何相似是力学相似的前提。对于船舶相关的试验，模型是按照一定的比例缩小而制成的。目前完成的原油水下泄漏模型研究中，尺度比例系数在15～50之间[1,3,5,7]。考虑到实验需要及成本，本项目采用了λ为30来构建模型舱及破孔特征。

2.1.2 运动相似

当相似运动流体在相同点上具有相似的速度，则称为运动相似。

本试验引入比例常数λv,

针对静水情景，υ为外流速度；g为重力加速度；h为油层高度；Hw为油舱吃水，m；ρ0为油品的密度；ρw为水的密度；下标p和m分别代表母型舱和模型舱；λ为几何相似尺寸。

通过上式，可以确定模型舱的装载及外部吃水条件。

2.1.3 动力相似

无论油船结构是单壳还是双壳，破损部位在侧面还是底部发生原油泄漏时，惯性力是一项不可忽略的力，故本试验将考虑弗洛德数。而在侧面破损情景，海水与油品置换阶段的原油泄漏中，粘性力是主导力，油品粘度对泄漏过程中有很大的影响，故本试验也将考虑雷诺数。

弗洛德数是惯性力和重力之比

针对静水情景，υ为油品泄漏速度；g为重力加速度；L为舱内油品高度；下标p和m分别代表母型舱和模型舱。

只要满足几何与运动相似条件，自然满足弗洛德相似。

雷诺数是惯性力和粘性力之比：

其中，ρ为流体密度；υ为流体速度；d为破孔直径；μ为动力黏度系数。

2.2 试验系统设计

本试验以模型实验的方法研究油船水下破舱原油泄漏过程的机理。为使实验数据更加可靠，本试验运用流体力学相似准则进行试验用模型舱尺寸的确立和油品的选择，且对以往油船水下破舱原油泄漏事故统计的基础上进行破孔尺寸和破孔位置的设计。

2.2.1 模型舱设计

由于双壳油船与单壳油船在泄漏过程中具有相同的泄漏机理，为了更直观、简洁地反应泄漏机理，本试验采用单壳油船进行模型构建。便于摄像机的拍摄，模型油舱由可视性较强的有机玻璃制成。模型舱考虑到试验成本及操作方便等因素，按1/30等比例缩小某油船来构建模型。模型舱货舱几何尺寸为0.6 m×0.5 m×0.5 m（长、宽、高）。

2.2.2 油品选取

考虑到同时满足模型试验同时满足雷诺相似与弗洛德相似的需要，由方程(5)可知，当尺度比例系数为30时，所需模拟油品的运动粘度度为原油品运动粘度的1/165。重质原油的动力粘度最大可达1 500-3 000 cP，相对密度一般在0.75～0.95之间，则原油的运动粘v度为一般为2 000～3 000 cSt，为了达到动力相似，试验所用油品运动黏v度应为10-20 cSt[7]。

2.2.3 水池设计

本模型中的水池是用于提供试验所需的水环境以及保持模型舱在每次试验中的吃水高度恒定。为保持同一试验中吃水高度基本恒定，设计应用少量水流进入水池将泄漏的油品排出池外并补充进入模型舱的水量，并在水池上部水面处设计若干小孔，保证上浮的油将会通过小孔排出。进入水池的水量需要动态调整，在保持吃水恒定的前提下应尽量减少。便于记录试验过程，水池尺寸为1 m×0.8 m×1 m（长、宽、高），由可视化较强的有机玻璃制成。

2.2.4 测量装置的选取

为实现模型试验的研究目的，须在实验过程中观测自由液面、油水分界面及不同泄漏阶段时间分界点，需动态监测舱内油与水的体积等物理量，为此选取以下测量仪器。

（1）选择精度为0.001 m的米尺用于直观的观测模型舱内油品高度的变化，为减少实验观测误差，分别在破孔的正面和侧面均布置1把米尺。

（2）选择量程为0～15 kPa，精度为0.5%FS的压力传感器用于测量模型舱底部压力的变化，主要是为了监测体积置换阶段海水进流量及油品入海量的动态变化。为减少实验误差，在模型舱底部中心线的两端分别布置2个压力传感器。

（3）选择量程为0～1 m，精度为0.5%FS的液位传感器用于实时记录破孔以上液位高度，主要是为了监测重力泄漏阶段的油品入海量的动态变化；为减少实验误差，在破孔的左右两侧分别布置2个液位传感器。

（4）高清摄像机用于直观的记录整个泄漏过程。为全方位的拍摄泄漏过程，破孔正面和侧面分别布置一台高清摄像机进行拍摄，主要是记录泄漏第一阶段持续时间，泄漏第二阶段持续时间等关键节点时间，可更加直观地反映实验过程。

实验系统如图1所示。

2.3 试验方案设计

在油船原油运输实际过程中，所装载油品的密度与粘度有较大的差别，油舱破损时破孔的大小与位置有所不同，另外包括吃水在内的船舶状态亦有所不同。故本试验将对不同参数对油船水下破舱原油泄漏过程的影响进行设计。

2.3.1 油品性质因子

由2.2.2可知，通过动力相似选取试验用油。针对侧壁破损泄漏的实际，综合分析模拟不同阶段的实验需要，满足动力相似条件时须同时考虑Re与Fr两个准则数来选择试验油品（v）中所示油品，船用轻质燃料油完全符合实验要求，而植物油主要是对比于船用轻质燃料油用来检验泄漏的油品密度效应。

图1 试验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of test system

表1 实验用油物理性质Physical properties of the oils in experiments

2.3.2 破孔规格因子

为了与实际情况更相符合，本试验设计考虑到碰撞位置以及碰撞强度两个方面。碰撞位置由距离模型舱底部0.08 m、0.15 m与0.22 m的3个直径为0.025 m的圆形破孔分别代表破损位置位于油舱的底部、中部和上部；碰撞强度由破孔大小表示，破孔直径为0.015 m、0.025 m与0.035 m的3个圆形破孔分别代表碰撞强度的弱、中、强。具体位置如图2所示。

2.3.3 船舶装载因子

考虑到实船由于装载情况以及航行区域的不同，存在油船吃水变化。本试验模型舱通过位于模型舱底部的调节螺母调整模型舱与水池之间高度改变模型舱吃水。

图2 破孔布置Fig.2 Location of holes

3 试验验证

由于本论文的重点是对油船水下破舱原油泄漏模型试验的机理研究，且TAVAKOLI[12]等对历史数据统计得到，62%的溢油事故是由触礁引起的，即溢油事故发生时破孔位于油舱底部的概率最大，故本试验只选取离破孔底部0.08 m，破孔直径为0.025 m的破孔为典型进行试验。

3.1 试验结果

为了直观地显示各个典型时刻的泄漏现象，特选取泄漏开始前、泄漏早期、泄漏进水时刻以及泄漏后期4个典型时刻作为记录对象。具体影像如图3所示。

从图3可以看出，出现进水时刻为80 s左右，泄漏总时间为10 063 s左右，泄漏总量为0.029 07 m3，占总装载量的23.07%。

此外有液位采集软件测得模型舱内破孔以上液位高度变化，如图4所示；有压力采集软件测得模型舱底部压力变化，如图5所示。

由图4中曲线可知，随着时间的推移，破孔以上液位高度总体呈先下降后保持稳定的趋势。在80 s以前，破孔以上液位的高度急剧下降；而在80～900 s破孔以上液位的高度缓慢下降。这是由于随着泄漏过程的发生，破孔以上液位逐渐下降导致破孔两侧压力差逐渐减少，从而使得泄漏速度的下降，故破孔以上液位下降速度逐渐减少。

由图5中曲线可知，模型舱底部压力在0～900 s时逐渐下降，在900～7 200 s时缓慢上升。之所以出现这样的现象，是因为在0～900 s处于泄漏的第一阶段，此时破孔两侧的压力差是油品泄漏的原因；而在900～7 200 s处于泄漏的第二阶段油品和外侧海水的密度差是油品泄漏的原因。此外，通过传感器数据可知，在900 s模型舱底部压力逐渐上升，这是由于模型舱底部的油品被水所取代，由此可知900 s为进水时刻。

图3 典型时刻模型舱内油品的泄漏情况Fig.3 Oil leakage situation at typical time

图4 破孔以上液位高度变化Fig.4 Oil height above the hole

图5 模型舱底部压力变化Fig.5 Pressure at the bottom of oil tank

4 结论

本试验通过流体相似准则对试验进行设计。通过高精度的压力传感器和液位传感器监测获得了实时连续的压力以及液位的变化数据。通过高清摄像机全程拍摄整个试验过程，可通过视频回放获得直观清晰的试验现象。

[1]Naval Surface Warfare Center.Accidental oil spill due to grounding:summary of model test results[R].Ship hydromechanics department research and development report of CARDEROCK division,1992.

[2]KARAFIATH G，BELL R M.Model tests of accidental oil spill due to grounding[C]//The international conference on hydro-science and engineering,Washington,D.C.1993.

[3]YAMAGUCHI K,YAMANOUCHI H.Oil spills from the double hull model tanks[J].船舶技术研究所报告,1992,29(5):215-252.

[4]National Oceanic and Atmospheric Administration.Leaking tank experiments with orimulsionTMand canola oil[R].NOAA technical memorandum,2001.

[5]BEATTY D S,LEHR W J,LANKFORD J.Leaking tank experiments for heavy oils[C]//2001 International oil spill conference.2001:127-131.

[6]许 颖.船舶溢油过程及溢油量的精细计算的方法研究[D].大连：大连海事大学,2007.

[7]TAVAKOLI M T,AMDAHL J,LEIRA B J.Experimental investigation of oil leakage from damaged ships due to collision and grounding[J].Ocean engineering,2011,38(17/18):1 894-1 907.

[8]LU J S,GONG X W,YAN S Q,et al.Experimental and numerical study on leakage of underwater hole on an oil tanker[C]//Proceedings of the twentieth international offshore and polar engineering conference,2010:1 047-1 053.

[9]李广平.破舱船舶溢油过程试验研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.