基于Ｆｌｕｅｎｔ的海洋溢油数值模拟研究
吕国录刘志萌
ｆ集关大学轮机工程学院福建厦门 ３６１０２１）
摘要针对海洋溢油扩散问题．基于Ｆｌｕｅｎｔ模拟软件，建立二维数值水槽，分析比较不同海流速度和不同含气率条件下油
气混合物的输移扩散特性。计算结果表明，海流速度越大，油滴尺寸越小，油气混合物的扩散面积相对较大；含气率越大，溢油上
升的速度越大。油气混合物的扩散面积就相对较小。此数值模拟研究可为海上溢油回收工作及环境污染防治提供参考依据。
关键词 海洋溢油 污染防治 海流速度含气率Ｆｌｕｅｎｔ
中图分类号：Ｘ５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９０６４（２０１６）０６—０３０—０３
在大力开发海上油气田的过程中．海底管道在输送油气
方面发挥了独一无二的作用．但海底管道泄漏的风险不可忽
视。水下油气泄漏对海洋渔业、水产养殖业及海洋环境将造
成致命的伤害．并会严重破坏海洋生态平衡．影响海洋生物
生存．因此对海底管道泄漏问题进行一定的研究．将为海洋
溢油的预防及溢油应急处理提供一定的参考价值 从２０世
纪７０年代起。国外已经开始对海洋溢油问题进行了系统地
研究．挪威Ｊｏｈａｎｓｅｎ等建立了ＤＥＥＰＦＬＯＷ水下溢油模型…，
并利用实验对模型进行了验证：Ｙａｐａ和Ｚｈｅｎｇ建立了一个
比较完善的三维数学模型ＣＤＯＧ来模拟水下溢油形成的浮
射流［２＿。近２ｏ年来。国内学者也积极开展了相关的研究，汪
守东在Ｙａｐａ和Ｚｈｅｎｇ的溢油模型基础上建立海底溢油的数
学模型，并首次考虑了溢油的乳化作用［， ；王晶提出了预测
海底管道由于焊接裂纹或腐蚀所形成的小孔发生溢油的模
型．对溢油在水中输移扩散的过程及影响其扩散的主要因素
进行了研究．并分析了各种因素对油滴尺寸的影响［４＿。
本文主要利用Ｆｌｕｅｎｔ软件．采用基于压力求解的ＰＩＳＯ
算法，选择ＶＯＦ模型、标准ｋ噌湍流模型来解决瞬态条件下
压力速度的耦合问题．对较深水域的海洋输油管道泄漏问题
进行数值模拟。主要研究了不同海流速度、不同含气率以及在
相同含气率不同海流速度时油气混合物在水中的输移特性．
为海洋溢油回收工作及海洋环境污染防治提供参考依据
１数学模型
为了便于阐述海洋溢油过程的机理．本文建立二维求解
模型．其基本方程包括非定常不可压黏性流体流动的连续性
方程、动量方程及湍流方程等基本控制方程．采用ＰＩＳＯ算法
解决压力与速度耦合的问题：其离散格式均采用默认设置，
油一水一气三相流动采用ＶＯＦ模型进行数值模拟计算［ 。
１．１基本控制方程
（１）连续性方程。按照质量守恒定律。在控制体内流人的
质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增
量。在直角坐标系下其微分形式为：
堕＋ｕ ＋ ＋ ：０ 试 弧 ∞ 摭
油为不可压缩均质流体，密度为常数，因此有：
＋ ＋ ：０ 升 掘 （２）动量方程。动量守恒方程，也称为Ｎ—Ｓ方程，表达式
为［６３：
ｆｐ ＝以＋ ＋ ＋警
｛ｐ ＝ｐＦｂ＋ ＋鲁＋警
【ｐ警＝以＋警＋ ＋警
式中： 、 、 分别为单位质量流体上的质量力在三个方
向的分量； 为流体内应力张量的分量。
（３）湍流模型。Ｆｌｕｅｎｔ提供的湍流模型包括：Ｓｐａｌａｒｔ—
Ａｌｌｍａｒａｓ模型、标准 模型、ＲＮＧＫ—ｓ模型等。经查阅相关
资料．本文采用标准的，ｃ—ｓ模型．其中湍动能Ｋ和湍流耗散
率８有如下形式［７１：
ｐ警＝蠹【（ ＋ ）差】＋Ｇｋ＋Ｇｂ－ｐ６一
ｐ ｄ８＝毒【（ ＋ ）差］＋Ｃ１８詈（Ｇ ＋Ｇ３ ）一ｃ２。ｐ ２
１．２ ＰＩＳＯ算法
ＰＩＳＯ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｗｉｔｈ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｏｒｓ）是压
力隐式分割算法．该算法是基于压力速度耦合关系的一种算
法。ＰＩＳＯ算法的主要思路就是将修正方程中求解阶段中的
ＳＩＭＰＬＥ和ＳＩＭＰＬＥＣ算法所需的重复计算移除．运用ＰＩＳＯ
算法．校正的速度会更加接近流体力学中的连续性和动量方
程，因此ＰＩＳＯ算法在求解瞬态问题中具有明显的优势［８］。
２数值模拟计算结果与分析
Ｇａｍｂｉｔ建立几何尺寸为２０ｍｘ２０ｍ的数值水槽．在水槽
底部距离左侧１ｍ处设置一直径为２ｃｍ的小孔作为泄漏孔．
选用四边形结构化网格；并进行边界条件设定：泄漏孔为速
度人口，速度大小为３ｍ／ｓ，方向垂直向上，左、右边界设置为
速度人口，方向垂直边界向右。大小为海流速度，泄漏孔两侧
设为壁面，其他参数保持默认。
利用Ｆｌｕｅｎｔ自带的ｐａｔｃｈ按钮将数值水槽中水深设为
１８ｍ，流体为海水，液面上方设定为空气．与大气连通。泄漏
介质设为柴油．泄漏气体选为Ｆｌｕｅｎｔ自带数据库中的甲烷
（ＣＨ ），材料属性保持默认。设置后的数值水槽如图１所示。
作者简介：吕国录（１９８９一），男，在校研究生，研究方向：船舶与海上能源装置工程。
２ｏ１６ Ｎ０
６ 餐 图１数值水槽示意图 由于泄漏孔的位
置不同．海域的海流速
度也不同．本文先选取
含气率为０．１时．分别
对海流速度为０．２ｍ／ｓ
０．２５』ｎ／ｓ、０．３ｒｉｄｓ的ｊ种 工况进行模拟．对计算
结果比较分析 再选取
海流速度为０．２ｒｎ，ｓ时．
分别对含气率为０．１、Ｏ．１５、０．２二种工况对计算结果比较分
析，为了确保计算的精确性，计算达代收敛标准为０．００１。
２．１ 不同海流速度对溢油的影响
图２是含气率为０．１，溢油速度为３ｍ／ｓ时，小同海流速
度的模拟计算得到的油一水一气三相分布图。
海穗Ｏ ２ｍ／ｓ 穗涨Ｏ ２５ ｓ 槔流Ｏ ｓ
图３不同海流速度下．油一水一气混合物的速度分布
经对比分析可知，在同一时刻，海流速度越大，溢油轨迹
与水平方向夹角变小．在海流的作用下．污染物横向扩散的
距离越远：在扩散过程中，油滴逐渐破碎，油滴越分散。从速
度分布图中可以看出．在溢油的动量作用下．随着海流速度
的增加．海水受到扰动的面积越大．部分海水运动的速度增
加。因此．海流速度越大．海底输油管道在发生泄漏时，溢油
扩散的范围越广 ２．２不同含气率的结果比较 Ｆ１ｕｅｎｔ模拟ｒ海流速度为０．２ｒｒｄｓ。ＣＨ 含量分别为０．１、
０．１５和Ｏ．２时泄漏的过程．图４为二种不同含气率时的＿＝三相
分布图
２ｏ１６．Ｎｏ７． 图４不同台气率时的油一水一气三相分布图
同一时刻．ＣＨ４含量小同时．油一水一气混合物的速度分
布如图５所示 者 ｔ串０ ｌ 苹Ｉ＇１５ 逝 ２
图５不同含气率时．油一水一气混合物速度分布图
经对比发现．在海流速度和油气泄漏速度一定时．含气
率越大．往浮力的作用下．油气混合物上升的速度越快，到达
水面的时问越短 由于天然气的密度远小丁柴油的密度．随
着ＣＨ 含量的增加．溢油的整体密度 断减小，在海流的冲
击作用下，油滴越容易破碎、分散开，油气混合物的水平输移
距离越远．这在一定程度上增加了海上溢油的同收工作难
度。
３ 结论
利用Ｆｌｕｅｎｔ软件建立数值水槽．对海底输油管道泄漏现
象进行二维三相流动的数值模拟．分析ｒ 同海流速度、小
同含气率时的泄漏现象．模拟了溢油在海水中迁移扩散特
性．为污染物的及时控制及海洋溢油的回收利用提供了更可
靠的理论依据．．通过此次模拟可以得出：
（１）海流速度不同时．泄漏物到达水面的时问几乎相同，
而且海流速度越大．溢油的水平速度分量越大。油滴之间越
分散．相同时问内泄漏物横ｒ口ｊ扩散的距离越远。因此． 同海
况也会导致较大的溢油污染范围，产生严重后果。
（２）同一海流速度下．不同含气率时，含气牢越大，泄漏
物达到水面的时间也就越短．污染物的扩散范围相对较小：
含气率越大，油滴越分散，越不利于海洋溢油的回收利用工
作。
（３）通过本文可以深入Ｊ，解复杂的海洋溢油机理过程，
为海洋溢油防治管理和海洋环境保护提供科学支持。
参考文献
１ Ｊｏｈａｎｓｅｎ。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ－Ｗａｔｅｒ Ｂｌｏｗｏｕｔ Ｍｏｄｅｌｓ． Ｍａｒｉｎｅ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００３，４７ （下转第４０页）
段，可以防患于未然。主要包含２个方面：
（１）合理选择站址位置。噪声自噪声源开始将随传播距
离的增大而逐渐衰减．因此．合理选择高压变电站站址的位
置．与敏感点保持一定距离．可有效降低高压变电站噪声对
敏感点的影响。此外，如果设计条件允许，也可考虑将高压变
电站站址布置于山丘、山谷等地点，利用天然屏障阻碍高压
变电站站内噪声对外界环境的污染
（２）优化站内设备布局。在遵循基本设计规程要求的基
础上．优化高压变电站站内设备布局．利用站内建筑阻隔噪
声传播，可有效降低高压变电站噪声影响。例如。当高压变电
站北侧存在敏感点时，可将综合控制楼、库房等建筑布置于
北侧．阻碍站内噪声传播至站外北侧敏感点。
４．２设备声源降噪措施 （１）变压器降噪。对于新建变电站，选择工艺先进的变压
器．购买具有磁致伸缩小等特点的变压器．可减小铁芯与线
圈之间可能出现的位移，降低变压器噪声：对于已经投运的
变压器，可考虑建立隔声屏，根据具体情况，采用封闭式、半
封闭式、开放式等３种样式，降低变压器噪声影响。另外，可
通过改善风扇叶片形状、选用低噪声油泵等措施降低变压器 辅助设备的噪音
（２）电抗器降噪 在设计中可通过以下措施降低高压变
电站内电抗器的噪声：使用高硬度的间隔材料、强力压实铁
芯柱、器身与油箱之间放置弹性垫减震、油箱上下端采用球
形断面。有利于减少振动及噪声。
（３）电容器降噪。可通过减小电容器元器件表面机械振
动来达到降低电容器噪音的效果，例如。可以通过改进的机
械阻尼来压紧电容器元件，提高电容器元件的纲度，此方法
可适用于钢外壳和瓷外罩的电容器
（４）导线与金具降噪。根据导线与金具的噪声产生原理，
可采取以下措施进行降噪：增加导线直径、增大导线分裂数 量、优化金具均压环设计、对耐张线夹及导线表面进行打磨
处理等等，以达到优化设备表面场强、避免尖端放电、减少电
晕现象的目的，最终降低导线与金具噪声。
（５）开关设备降噪。根据高压变电站开关设备运行实际
情况．其产生的噪声为短时脉冲噪声．峰值最多维持１０ｓ左
右，其大小取决于操作过电压．但对于高压变电站整体噪声
水平影响不大。可采取的降噪措施主要为２个方面：在确保 安全运行前提下优化开关设备切换顺序：将开关设备操作工
作安排在白天，减少夜间噪声污染。 ４．３传播途径降噪措施
通过采用具有隔声、吸声及消声等性能的材料，增加噪
声在传播途径中的能量损失．达到减少噪声污染的目的。例
如．微孔复合结构吸声屏障、渐变腔式吸声体、大孔板吸隔声
屏障、阻抗复合式通风消声器、通风消声吸隔声百叶等。此
外．还可以与当地规划管理部门沟通协调，在高压变电站围
墙四周划定噪声污染控制区．在噪声污染控制区内不得修建
医院、学校、养老院等建筑物，使敏感点与站址保持安全距
离。噪声衰减后便不会影响周边居民正常生活。 ４．４接受者降噪措施
此方案无法适用于高压变电站周边居民．仅可对高压变
电站内工作人员起到一定的保护作用。包括配戴耳罩、耳塞、
防声头盗及防护衣等。以此来降低高压变电站噪声对工作人
员的听觉、头部、胸部及心脏的影响，保护工作人员的身体健
康。
５结束语
随着经济社会快速发展．高压变电站与居民的生活空间
日渐融合，高压变电站带来的噪声污染问题不可避免。根据
高压变电站的运行特点及噪声传播规律．从可研设计降噪措
施、设备声源降噪措施、传播途径降噪措施及接受者降噪措
施等几个方面寻求切实可行的噪声污染防控方法．最终目的
是使高压变电站能够满足周边环境噪声标准．促进其与周边
居民、生物及环境的和谐共处．对于确保高压变电站项目顺
利建设、避免环保纠纷有着积极意义。
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（上接第３１页）
２ Ｙａｐａ ＰＤ，Ｚｈｅｎｇ Ｌｉ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｉｌ Ｓｐｉｌｌｓ ｆｒｏｍ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｃｉ－ ｄｅｎｔｓ Ｉ：Ｍｏｄｅｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，３５ ３汪守东，沈永明．海底管线溢油数学模型研究．大连理工大学学报， ２００６，Ｓ１ ４王晶．海底管线溢油在水体中的运移扩散过程研究．大连理工大学．
２０ｏ６ ５ 高清军，褚云峰，林建国．海底管线溢油的数值模拟．大连海事大学 学报，２００７。Ｓ２ ６章争荣．张湘伟．二维定常不可压缩粘性流动Ｎ—Ｓ方程的数值流形 方法．计算力学学报，２０１０（３） ７ Ｔａｖａｋｏｌｉ Ｍ Ｋ，Ａａｍｄａｈｌ Ｊ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅ￣ｉｇａｆｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｌｅａｋａｇｅ ｆｒｏｍ ｄａｍａｇｅｄ ｓｈｉｐｓ ｄｕｅ ｔｏ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ．Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－
ｉｎｇ，２０１１，０９，ｏ２８ ８ Ｗ姐ｉｋ Ａ，Ｓｃｈｎｅｌｌ Ｄ．Ｓｏｍｅ ｒｅｍａｒｋｓ Ｏｎ ｔｈｅ ＰＩＳＯ ａｎｄ ＳＩＭＰＬＥ ａｌｇ０－ ｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｓｔｅａｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓａｎｄ ｆｌｕｉｄ， １９８９，１７（４）
２０１６．Ｎ０．６
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