海底管道油品泄漏速度的影响研究

王 琪，施 雯，于 湘，程丽华

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

海底管道油品泄漏速度的影响研究

王 琪，施 雯，于 湘，程丽华

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

为了预测海底管道泄漏油品的扩散规律，解决油品泄漏后的回收处理问题，文中基于计算流体力学CFD的基础，选取k-ε模型和VOF模型建立数值模拟仿真模型，根据不同泄漏速度，模拟了原油泄漏后的扩散情况。通过不同的泄漏速度的分析可以得出：泄漏速度低时，射流持续时间短，发生在海底且横向扩散位移呈线性变化，泄漏速度高时射流时间长，发生位置较高，横向扩散位移分成三个阶段：扩散-短暂停止-扩散。且随着泄漏速度的增加，其对横向位移的影响越来越小。该研究可为海底管道漏油应急预报系统提供理论参考。

海底管道；数值模拟；泄漏；横向位移；扩散

我国有绵长的海岸线，海洋油气资源也十分丰富，因此与海洋相关的油气事业也在蓬勃发展中，对海中的油气设备要求比陆上油气设备更复杂，安全可靠性的要求也更高[1]。

目前海底管线泄漏的预测，国外，其中Fay研究了平静海洋的溢油扩散模型,假定油膜扩散始终保持圆形。Hirst[2]（1972）年做了三维浮射流实验，并进行了数值模拟，给出了有水流作用下垂直浮射流轨迹实验值。Milgram[3]（1983）和Fannelop[4]（1991）等模拟了无水流情况下的因水下油井井喷事故产生的垂直浮射漏油；Yapa[5]等提出了一种三维数学模型研究水下的油品浮射流。国内，近期多采用VOF[6]模型，其中李大全[7]进行了成品油管道泄漏扩散规律分析。石龙[8]进行了水下埋地管道泄漏数值模拟。符泽第[9]做了河流穿越管道小孔泄漏数值模拟。陈家悦[10]进行了水流环境下海底管道溢油轨迹数值模拟。但其影响因素存在多个方面，包括水的流速、油品泄漏的速度、油品的密度、泄漏口的大小等，其中油品泄漏的速度是一个非常重要的影响因素。不同泄漏速度其扩散影响规律不同。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文建立海底管道泄漏二维数值模型，水槽的模型尺寸为长（x轴方向）20 m,深（y轴方向）10 m,假定泄漏口位于管道上方，距原点坐标5 m,泄漏口的直接设为D。通过泄漏管道的二维模型可知，整个计算区域一共可以分为三部分，为了让模拟更为准确，整个水槽皆采用三角型网格划分。

图1 泄漏管道二维模型

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程 不可压缩粘性流体的控制方程如下：

（1）质量守恒方程

式中：xi为笛卡尔坐标；ui为方向速度分量，m/s；i，j=1，2，表示二维流动。

（2）动量守恒方程

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；fj为流体在i方向的单位质量力；p为压强，Pa；μ为流体的动力黏性系数，kg/（m·s）。

（3）不可压缩粘性流体的k-ε模型方程：

式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生项，kg/（m·s3）；μt为流体的湍动黏性系数，Pa·s；κ为湍动能，m2/s2；ε为湍动能耗散率，m2/s3。

C1ε，C2ε，Cμ，σκ和σε为常数，取值为C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。

1.2.2 边界条件 计算区域边界条件如下：

左侧水流入口：

式中：u，v，w分别为x，y，z方向的速度，m/s；κa为进口处湍动能，m2/s2；εa为进口处湍动能的耗散率，m2/s3；h为水槽水深，m。

右侧出口：

自由表面：

泄漏口处：

式中：κom为溢油口中心处湍动能，m2/s2；εom为溢油口中心处湍动能的耗散率，m2/s3；Δh为距溢油口中心的水平距离，m；κo为相应位置的湍动能，m2/s2；εo为相应位置湍动能的耗散率，m2/s3。

壁面边界：

式中：uw，vw和 ww分别为壁面附近 x，y，z方向的速度，m/s；

壁面处流速小、雷诺数小，所以采用FLUENT自带的标准壁面函数法处理。

2 算例及结果分析和验证

2.1 算例及结果分析

原油和水的性质参数如表1所示。

表1 原油和水的性质参数

模拟条件：泄漏口的孔径D为0.1 m,泄漏的速度为2 m/s，10 m/s，20 m/s,海水的流动速度为0.5 m/s。每0.5 s显现一次。

图2 不同泄漏速度下油品扩散图

由图2可以看出，油品从泄漏口处在压力的作用下迅速地流出，形成较为规则的射流。在水流和水的浮力双重作用下向右上方迁移，并在左右两侧形成两个方向不同的原油漩涡，左侧为逆时针，左侧为逆时针，且随着时间的推移，左侧的漩涡开始散乱并变成大小不一的小油滴，而且整体向右迁移，右侧的漩涡不断变大。泄漏较长时间后，不规则小油滴越来越多，油品的射流状被破坏散乱在水中。但从不同泄漏速度来看在10 m/s和20 m/s时，即相对高速时这个扩散过程十分明显，而泄漏速度在2 m/s时，这一过程不够典型，且水速这时的影响对扩散更大，并且在2 s时射流断掉,而10 m/s和20 m/s时，射流断掉时间分别为3.5 s和4 s。所以泄漏速度越大，射流断掉的时间越久,泄漏速度在2 m/s时,射流在靠近海床的位置就断开并开始扩散且分散油滴较小。随着速度的增加，射流其速度越大越靠近海面才发生射流断开，分散液滴也越大。

图5 不同泄漏速度油品扩散位置坐标的变化

表2 油品泄露的横向位移表

从图5可以看出泄漏速度对水平扩散的影响。在泄漏速度较慢时，水平位移随时间增加而增加，与直线非常接近。但当泄漏速度很快的情况下，横向位移随时间前期扩散迅速，呈线性变化，中期有一个稳定期但是很短，之后又快速扩散。最后射流断掉。

图6 同一时间不同泄漏速度扩散曲线图

对于同一时间不同泄漏速度来说，泄漏速度10m/s是2 m/s的5倍。泄漏速度20 m/s是10 m/s的2倍，但是从斜率来看，10 m/s到20 m/s的斜率是要缓于2 m/s到10 m/s的斜率。所以可以推断出随着泄漏速度的增加，其水平扩散位移变化会越来越缓。随着流速的增加，其增加的影响表现越微弱。

2.2 数值验证

以Hirst进行的浮射流实验作为依据，通过对比不分层流动环境工况下垂直浮射流轨迹实验值，得到数值结果和实验值在溢油口附近吻合很好，较远处模拟在实验值周围波动；数值结果和实验结果趋势较符合。总体上，模拟结果与Hirst的实验结果较吻合，因此采用该泄漏数值模型模拟是有效的。

3 结论

（1）泄漏速度低时，射流主要在海底并很快断开，最终分散在海水中并且分散油滴较小。泄漏速度高时，射流可达到较高的位置甚至到达海平面，且射流持续时间较长，分散油滴较大。

（2）泄漏速度低时，横向扩散位移的变化接近线性，泄漏速度高时，横向位移随时间前期扩散迅速，呈线性变化，中期有一个稳定期但是很短，之后又快速扩散。最后射流断掉。

（3）随着泄漏速度的增加，其水平扩散位移变化会越来越缓。随着流速的增加，其增加的影响表现越微弱。

[1]施益强，陈玲海.上溢油事故应急反应系统框架的研究[J].海洋环境科学,2003，22（2）：40-43.

[2]Hirst E.Buoyant jets with three-dimensionatrajectories[J].J Hydraul Div,1972，98（11）：1999-2014.

[3]MilgramJ H.Mean flowin round bubble plumes[J].J Fluid Mech,1983,133:345-376.

[4]Fannelop T K,Horschberg S,Kuffer J.Surfacecurrent and recirculating cells generated by bubble curtains and jects[J].J Fluid Mech, 1991,229:629-657.

[5]Yapa P D,ZhengLi.Simulation ofoil spills from underwater accidents:I Model development[J].Journal ofHydraulic Research,1997,35（5）:673-687.

[6]朱红钧,林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[7]李大全,姚安林.成品油管道泄漏扩散规律分析[J].油气储运,2006,25(8):18-24.

[8]石龙,马贵阳,王鑫，等.水下埋地管道泄漏数值模拟[J].当代化工,2014，43（1）:153-155.

[9]符泽第,兰惠清,张永龙，等.河流穿越管道小孔泄漏数值模拟[J].油气储运,2014，33（1）:10-14.

[10]陈家悦,王永学.水流环境下海底管道溢油轨迹数值模拟[J].油气储运,2015，34（10）:1124-1130.

Research on the Influence Factors of the Oil Spill Velocity of Submarine Pipelines

WANG Qi,SHI Wen,YU Xiang,Cheng Li-hua
Gangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,Gangdong Province,China

In order to predict the diffusion law of submarine oil pipeline leakage,it is needed to solve the recycling problem after oil pipeline leakage.Based on CFD,the k-epsilon model and the VOF model are selected to set up the numerical simulation model.According to different leaking speeds,this paper simulates the diffusion situation after oil spill.The results of different leakage speeds show that,when the leaking velocity is slow,the time of jet flow is short and it spreads at the bottom of the sea,with lateral displacement occurring in a linear change.When the leak velocity is fast,in contrast,the time of jet flow is long,the position is higher,and lateral diffusion displacement is divided into three stages:diffusion,a brief stop,and diffusion.With the increase of leakage velocity,its influence on lateral displacement is becoming weaker.The results of this research can provide a theoretical reference for the establishment of an emergency prediction system for leakage accidents of submarine oil pipelines.

submarine oil pipeline;numerical simulation;leakage;lateral displacement;diffusion

TE835

A

1003-2029（2017）02-0101-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.017

2016-09-29

广东省自然科学基金资助项目（915006）；茂名市科技计划资助项目（2014076，201534）

王琪(1982-)，女，硕士，讲师，主要从事油品扩散方向的研究工作。E-mail：13790914645@163.com