基于FLUENT网–栅结构围油栏拦油特性数值实验

戴明权，郑学林

（上海海事大学，上海 201306）

0 引 言

围油栏是一种防止溢油扩散、缩小溢油面积的有效工具，当海上发生溢油事故后，可用围油栏把溢油区域围住，防止油层扩散，便于及时回收和清除溢油。进行围油栏拦油作业时，通常会遇到比较复杂的海洋环境，从而对拦油过程及拦油效果有显著的影响。研究表明，主要有三种拦油失效形式：油滴夹带失效、油层流失失效和临界累积失效。近年来国内外众多学者对围油栏展开一系列研究：于桂峰等人利用FLUENT软件研究了单、双体围油栏的适用条件，发现水流速度0.2m/s时双体围油栏的拦油能力相对提升率达2.66667[1]；宁成浩对围油栏拦油失效的过程进行了比较深入的研究；魏芳研究了多种海况下围油栏的形状对拦油效果的影响，并对围油栏的形状进行了优化[2]。鉴于单体围油栏的一些缺点，提出了双体围油栏、网–栅围油栏等新型结构的围油栏，提高了拦油效果。

本文采用CFD软件FLUENT对网-栅结构围油栏的拦油特性进行数值实验，分析不同条件对其拦油能力的影响，为该围油栏的有效应用提供理论依据。

1 数学模型

为研究网-栅结构围油栏的拦油特性，其控制方程为基于不可压缩黏性流体的 Navier-Stokes方程，方程的数值计算方法采用流体体积分数法。

1.1 控制方程

不可压缩黏性流体的二维Navier-Stokes方程：

流体满足连续性方程：

式中：u、v——x，y两个方向上的速度分量；ρ——流体密度；μ——动力黏性系数；g——重力加速度；p——压强。

计算过程中使用的kε-模型为高雷诺数模型，适用于离开壁面一定距离的湍流区。在与壁面相邻的黏性层中，湍流雷诺数很低，因此必须考虑分子黏性的影响，在壁面区使用壁面函数法进行修正。

1.2 计算方法

不考虑风浪影响，以对称围油栏的中心横截面为研究对象，将其简化为上边界无摩擦力的二维油—水两相非定常流动问题。油水两相不互溶，故存在明显的相界面。采用体积分数函数跟踪两相界面，求解同一控制方程，计算两相的流场分布。令表征特定流体体积分数的函数为aq，则充满水时，定义网格aq=1；充满油时，定义网格aq= 0，两相界面时，aq=0 ～ 1。体积分数连续性方程满足：

1.3 研究对象及其边界条件

网–栅结构围油栏是由前网、底网和普通单体实心围油栏组成，其中前网的作用在于减小实心围油栏前的油水速度，底网的作用在于增强拦油区域的稳定性。计算区域如图1所示，x方向长为4.0m，深度h为0.50m，围油栏距入口2.0m，有效深度h1为0.1m，围油栏厚度D为0.05m。油和海水的性质：油密度 ρ0=888kg/m3，油的运动黏滞系数γ0=7×10-5m2/s；海水密度 ρw=1025kg/m3，海水的运动黏滞系数 γw=1.7×10-6m2/s。流体的上边界为无摩擦自由表面，该边界y方向速度为0；底边界为固定无滑脱边界，速度为0；流体从左边界流入，入口速度为u0，右边界为湍流充分发展的压力出口边界[3]；重力加速度g=–9.8m/s2。

在两相流的模拟研究中，应设定一个相对稳定的单相水流场，并把该流场作为多相流计算的初始流场，然后进行拦油数值实验。

图1 围油栏坐标系统

2 数值实验研究

2.1 水流速度的影响

Delvigine以及安长发等人模拟的溢油临界失效速度为0.24m/s[4]。单位长度围油栏拦油量为0.06m3，油层厚度0.03m，长0.3m，初始状态与围油栏直接接触，拦网孔隙率为0.6，不同流速下围油栏拦油数值实验如图2、3所示。

图2 水流速度0.23m/s时

图3 水流速度0.24m/s时

实验结果表明，当水流速度达到0.24m/s时，经过一段时间趋于稳定后，围油栏开始出现拦油失效，即不同流速对围油栏拦油效果影响显著，其临界失效速度为0.24m/s。

2.2 前网、底网孔隙率的影响

不考虑其他因素的影响，只分析孔隙率不同对拦油结果的影响，其中拦网孔隙率为网–栅结构围油栏前网、底网等网状附属结构的所有网孔总体积与该结构总体积的比值。为便于计算，水流速度取0.24m/s，单位长度围油栏拦油量为0.06m3，油层厚度 0.03m，长0.3m，初始状态与围油栏直接接触，拦网孔隙率分别为0.1、0.5和0.9。

图4 油层分布形状

由图4实验表明，随着孔隙率的逐渐改变，油层的分布形状并没有发生太大的变化，即网–栅结构围油栏拦网孔隙率的改变对围油栏的拦油效果影响不大。

2.3 初始拦截位置的影响

水流速度0.24m/s，单位长度围油栏拦油量为0.06m3，其他条件相同，仅仅是溢油区域相对围油栏初始位置不同。

图5 初始拦截位置不同

图5数值实验表明，初始拦截位置较远时，经过一段时间后，围油栏出现了轻微的夹带失效，即靠近围油栏底部的溢油出现了溢油随水流脱离围油栏的情况，而初始拦截位置较近，直接与围油栏接触时，经过一段时间后，围油栏的拦油效果很理想，未出现拦油失效。通过物理现象分析，初始拦截位置较远时，溢油伴随水流有一段行程，这样溢油与围油栏接触时会有一定惯性和动量，从而导致油滴夹带失效；初始拦截位置较近时，之所以未出现拦油失效，是因为网–栅结构围油栏前网和底网以及围油栏之间形成的区域改变了溢油积聚存储形状。

由此可知，溢油区域相对围油栏初始位置对拦油效果的影响很大，合理确定布设围油栏的初始拦截位置，能显著提高网–栅围油栏的拦油效果。

3 结 语

利用FLUENT软件合理模拟网–栅结构围油栏拦油过程，并在此基础上建立数值实验模型，验证了围油栏临界失效速度，并分析了拦网孔隙率以及初始拦截位置对拦油结果的影响。实验结果表明，网–栅结构围油栏临界失效速度为 0.24m/s，拦网孔隙率对拦油结果影响甚微，而初始拦截位置则对拦油结果有显著影响。

[1] 于桂峰，吴宛青，封 星.基于Fluent典型结构围油栏适用条件数值实验[J].大连海事大学学报，2010，36(2): 117-120.

[2] 魏 芳.围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟[J].大连海事大学学报，2007.

[3] 王绪胜，程向新，宋修福，等.某新型结构围油栏的数值模拟分析[R].中国高新技术协会，2011.

[4] Delvigine G A L.Laboratory Experiments on Oil Spill Protection of a Water Intake[J].Monograph: Oil in Fresh-water, 1985:446-458.