围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

黄传朋，王晨阳，金瑞佳，陈松贵，王收军

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业 重点实验室，天津 300456；2.大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，大连 116024； 3.天津理工大学 机械工程学院，天津 300384)

石油资源是主要利用的能源之一，其需求量也不断增长，与此同时海上溢油事故发生的次数也不断增长，不仅造成了巨大的资源浪费而且严重污染了海洋的生态环境。围油栏是溢油应急处置的基本设施，可以有效围控和集中、溢油导流和防止潜在溢油，减少对海洋环境的影响。中国交通运输部于2001年发布实施《围油栏》(JT/T465-2001)设计标准。由于缺乏大比尺波浪水槽物理模型实验，围油栏设计标准中没有对围油栏的抗风抗浪性、随波性、拦油能力等指标提出具体的测试方法，使围油栏设计滞后。因此，利用大比尺波浪水槽物理模型实验对围油栏的水动力性能进行测试，可以提升我国围油栏开发设计的水平。

1 引言

为了深入研究围油栏的水动力特性以及拦油效果，很多学者开展了物理模型试验研究和数值模拟研究。Ventikos等人[1]研究了围油栏浮子形状对其拦油性能的影响。研究结果表明：刚性浮子围油栏抗水流能力较强，柔性以及半刚性浮子围油栏抗风浪能力较强。Delvigine等[2]采用物理模型试验研究某一重油的拦油失效问题，并发现了低粘度油的反射现象。该实验结果在后续的研究中被很多学者进行对比引用(Goodman等[3]、Brown等[4]、张政程等[5]、Clavelle和Roowe[6])。李绍武等人[7]进行了波流作用下浮子式围油栏运动响应研究，分析围油栏的最小吃水及最小干舷高度与围油栏的尺度、波流要素间的关系。由于围油栏物理模型实验较为复杂，因此更多的学者进行数值模拟研究，宁成浩[8]利用不可压缩油水两相流数学模型，模拟了不同粘度油品的拦油失效过程。封星[9]基于N-S方程和VOF方法针对不同海况下的围油栏拦油失效进行预测，分析不同海况时油品参数和围油栏栏深与拦油失效速度之间的关系。张博[10]应用FLUNT对围油栏的拦油特性和结构优化进行了数值研究，发现围油栏的形状和大小对拦油效果影响很大，尺寸的增加和结构的复杂化也会提高拦油效果。张涛涛[11]基于FLOW3D建立了三维数值波浪水槽，计算了围油栏在波浪作用下的受力情况，然后应用ANSYS对围油栏的应力应变进行分析。Shi等人[12]通过围油栏浮子物理模型试验研究了不同环境因素、群体长度和浮重比对有效吃水和干舷高度的影响。上述学者大部分都是对围油栏的拦油性能进行研究，而且大多基于二维模型进行分析，而实际海洋中，由于围油栏中两个相邻浮体受到的水动力特性不完全一致，因此进行三维水动力分析就显得尤为必要。本文基于上述背景，进行了围油栏三维水动力大比尺物理模型实验，分析了在不同波浪工况下和波浪水流联合作用下的围油栏水动力特性，为实际工程及三维数学模型的建立提供了有效的实验数据。

2 实验设施和实验方案

2.1 实验设施

该实验在交通运输部天津水运工程科学研究院大比尺波浪水槽[13-14]中完成(后文简称“大水槽”)。试验围油栏总长18.69 m，共11节，每节浮子长1.35 m，连接段长0.32 m。如图1所示。围油栏在水槽中呈U型布置，两端通过拉力传感器固定水槽边壁上。围油栏距离造波板260 m，在围油栏不同浮子上布置六分量传感器，具体在水槽中布置如图2所示。

图1 水槽中使用的原型围油栏(单位:m)Fig.1 Prototype oil boom in the flume图2 水槽中固定围油栏布置型式Fig.2 Fixed oil boom layout in LWF

表1 各试验组次波浪要素Tab.1 Wave parameters of each test case

表2 各组次水流速度Tab.2 Current velocity of each test case

本次试验中测量围油栏受力的拉力传感器为应变式，量程为250～1 200 N(25～120 kg)，可以在水下工作，安装如图2所示。而测量围油栏不同浮子六自由度运动采用Polhemus电磁式位置跟踪系统,该系统主要由数据处理与控制部分、电磁信号发射部分、电磁信号接收部分和电磁定位算法等组成，利用电磁定位算法将数据解算出目标物体的位置姿态信息，能够非常方便地追踪任何非金属物体的运动轨迹，各传感器布置图2如所示。

2.2 实验方案

本次试验中，结合试验所研究问题的性质和试验设备能力，决定采用比尺λ=1的原型物模型试验。实验水深为3.0 m，入射波浪采用规则波，周期从4.0～7.0 s，间隔1.0 s，波高0.2 m、0.4 m和0.6 m，表层流速0.1 m/s，0.2 m/s和0.3 m/s。分别进行了纯波浪作用下和波浪、水流联合作用下围油栏受力分析和不同浮子运动响应分析，具体工况如表1和表2所示。

3 实验结果分析

3.1 围油栏受力分析

试验中，将两个水下拉力传感器测得拉力结果相加，得到围油栏在环境荷载下的受力情况。波浪水流联合作用下的围油栏受力分析可以为行进在实际海域中的拖船拖曳围油栏提供数据参考。测量结果如图3所示，图3-a、3-b、3-c分别为波高0.2 m，0.4 m和0.6 m，不同流速情况下围油栏的受力情况，图中横坐标为波浪周期，纵坐标为围油栏受力。

3-a 波高H=0.2 m3-b 波高H=0.4 m3-c 波高H=0.6 m图3 波浪、水流联合作用下围油栏最大拉力Fig.3 The maximum wave force of the oil boom in waves and currents condition

从图3可以看出，在相同波高和周期的情况下，围油栏的受力随着水流流速的增大明显增大，接下来进行围油栏受力对环境参数的敏感性进行分析，分析水流、波高以及周期对围油栏受力的影响，如图4所示，图4-a中 (Tvi/Tvj)asr表示vi流速下最大拉力与vj流速下最大拉力比值的算术平方根，图4-b中THi/THj表示Hi波高下最大拉力与Hj波高下最大拉力的比值。

4-a 流速影响4-b 波高影响图4 波浪、水流联合作用下围油栏对环境参数的敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of the oil boom on the environmental parameters in different waves and currents condition

从图4-a中可以看出当波高0.2 m,流速vi=0.3 m/s和vj=0.1 m/s比值为3时，其对应拉力比值的算术平方根也在3附近。流速vi=0.2 m/s和vj=0.1 m/s比值为2时，其对应拉力比值的算术平方根也在2附近。流速vi=0.3 m/s和vj=0.2 m/s比值为1.5时，其对应拉力比值的算术平方根也在1.5附近。当波高为0.4 m和0.6 m时与波高为0.2 m时结果相似。可以得出围油栏受力基本与水流流速成平方关系。从图4-b中可以看出流速为0.3 m/s,波高的比值越大，拉力的比值也越大，但是没有流速比影响大，而同一波高流速，不同周期情况下，拉力差别不是很大。经对比分析可得，在各个环境荷载中，围油栏对水流流速最为敏感，波高其次，波浪周期对其影响最小。因此，围油栏在水流作用下或者围油栏被拖船拖拽时期，要特别考虑其缆绳的受力。

3.2 围油栏浮子运动响应分析

试验中，对围油栏不同浮子的运动响应进行了测量，其中测点1为紧贴水槽壁浮子中央，测点3位于围油栏正中间浮子中央，测点2居于测点1和测点3之间，测量结果如图5所示。图5为纯波浪作用下各浮子的位移情况。

5-a 波高H=0.2 m5-b 波高H=0.4 m5-c 波高H=0.6 m图5 纯波浪作用下围油栏上各浮子位移幅值Fig.5 Motion response amplitude of different floaters on the oil boom in regular waves condition

从图5看出：相同的波高，随着周期的增大，纵荡变化幅度比较大，横荡和升沉变化不明显，说明纵荡运动相对横荡运动和升沉运动对波浪周期更为敏感。在相同的波高和周期条件下，整体而言中间浮子的纵荡运动远大于横荡运动，而两侧的浮子纵荡运动和横荡运动相差不大，因此垂直波浪方向围油栏浮子要重点关注其沿波浪方向运动。同时，试验结果表明，各个浮子的运动响应幅值对波高较为敏感，基本同波高成线性关系。

6-a 纵荡结果6-b 升沉结果图6 波流作用下浮子1的纵荡和升沉位移幅值Fig.6 Surge and heave motion amplitude of floater 1 under wave and current condition

7-a 纵荡结果7-b 升沉结果图7 波流作用下浮子2的纵荡和升沉位移幅值Fig.7 Surge and heave motion amplitude of floater 2 under wave and current condition

8-a 纵荡结果8-b 升沉结果图8 波流作用下浮子3的纵荡和升沉位移幅值Fig.8 Surge and heave motion amplitude of floater 3 under wave and current condition

从图6～图8中看出，相同的波高和流速，随着周期的增大，浮子的纵荡运动幅值变化比浮子的升沉幅值变化大。说明，周期对各个浮子的水平运动有促进效果，而对各个浮子的升沉运动影响比较小。对相同的波高和周期，在不同流速的情况下，浮子的纵荡运动幅值在有水流的情况下小于无水流情况下，而升沉运动幅值在有水流情况下大于无水流情况下，说明水流对各个浮子的水平运动起到了抑制作用，而各个浮子在水流的作用下升沉运动更加剧烈。相同流速和周期，波高越大，纵荡和升沉的位移幅值都变大。说明波高对各个浮子水平运动和升沉运动都有促进作用。综上所述，波高是影响各个浮子水平运动和升沉运动的主要因素。

4 结论

本文通过大比例尺水槽试验研究了围油栏受力和不同浮子的运动响应，分析了不同因素对二者的影响得到以下结论：

(1)在波流组合的情况下，围油栏受力基本与水流流速成平方关系。在各个环境荷载中，围油栏受力对水流流速最为敏感，波高其次，波浪周期对其影响最小。

(2)在纯波浪情况下，纵荡运动相对横荡运动和升沉运动对波浪周期更为敏感。从整体而言中间浮子的纵荡运动远大于横荡运动，而两侧的浮子纵荡运动和横荡运动相差不大，因此垂直波浪方向围油栏浮子要重点关注其沿波浪方向运动。同时，各个浮子的运动响应幅值对波高较为敏感，基本同波高成线性关系。

(3)在波流组合的情况下，浮子的纵荡运动幅值在有水流的情况下小于无水流情况下，而升沉运动幅值在有水流情况下大于无水流情况下，说明水流对各个浮子的水平运动起到了抑制作用，而对升沉运动起到了促进作用。而对于某一流速情况下的各个浮子的运动响应特征，与纯波浪作用下的运动响应特征相似。