（流体力学专业论文）风对感潮河道溢油扩展、漂移影响的实验研究.pdf

摘要 随着石油工业和内河航运的发展，溢油污染己逐渐成为河道水环境污染的主 要问题之一。尤其在近海口的感潮河道，油污染问题日益突出。溢浊污染医其对 环境、生态、经济等的长期、巨大的破坏性影响，日益受到学术界的关注。了解 和掌握溢油在风场环境下、感潮河道中的扩展、漂移规律，对应急抢险、降低溢 油危害以及评估溢油对水环境的影响等方面均有着重要的意义。 溢油预警预报方面的研究，虽从上世纪六十年代就已开始，但以往的研究大 都集中在海洋溢油方面，河道溢油研究起步较晚，研究成果较少，考虑风场环境 下，潮汐影响的则更少；且研究手段多以数值模拟为主，机理性实验研究较少。 本文在前人研究基础上，对风场环境下，溢油在水面的扩展、漂移过程进行 了机理性实验研究，并在此基础上对风场环境下，潮汐水流中溢油油膜的扩展、 漂移过程进行了模拟实验，初步探索风场环境下，溢淌油膜在潮汐水流中的扩展、 漂移规律。以期为预警预报及数值模拟提供一些有益的参考。 机理实验主要考察不同风、流组合下，溢油油膜在水面的扩展漂移过程；而 模拟实验主要考察不同风速，不同潮型下，溢油油膜在两个半日潮潮周期内，在 潮汐水流中的扩展、漂移过程。 实验结果表明：风场对水面溢油油膜的扩展、漂移过程具有显著的影响。风 场的出现能加剧油膜的扩展，并促进油膜的漂移。 关键词：感潮河道扩展漂移风场溢油 a b s 7 r r a c t t h ef r e q u e n to c c u r r e n c eo fa c c i d e n t a lo i is p i l l si nt i d a lr i v e ra te h x u a r ya t t r a c t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o i lt r a n s p o r ta n do i ls t o r a g ef a c i l i t i e sa g ea l lp o s s i b l es o u r e 2 o fo i ls p i l l s o i ls p i l l sh a v eb r o u g h ts e r i o u sa n dl o n g r a n g ei m p a c t st oa q u a t i c e n v i r o n m e n ta sw e l i 勰e c o n o m yb e c a u s et h el o c a t i o n so f t h ea c c i d e n t sa r eo f t e nc l o s e t op o p u l a t e da r e a sa n de c o n o m i cc e n t e r s i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dh e l p f u lt ok n o wt h e l a w s o f s p r e a d i n ga n d t r a n s p o r t o f o i ls p i l lu n d e r v a r i o u s w i n dc o n d i t i o n s i n t i d a lr i v e r i ns e t t i n gd o w nt h ee m e r g e n c em e a s u r e s ，r e d u c i n gt h eh a r m f u lo fo i ls p i l la n d e v a l u a t i n gt h ea f f e c t i o no na q u a t i ce n v i r o n m e n t t h es t u d yo fo i ls p i l ls t a i n e ds i n c e1 9 6 0 s 。b u tp r e v i o u ss t u d i e sw e r em a i n l y c o n c e n t r a t e do no c e a no i ls p i l lm o d e l i n gb yd e v e l o p i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n dt h e e x p e r i m e n t se s p e c i a l l yt h ee x p e r i m e n t so fs p r e a d i n ga n dt r a n s p o r to fo i ls p i l lu n d e r w i n dc o n d i t i o n sa n dt i d a lw a t e rw e r ev e r yl i m i t e d s oi nt h i sp a p e r , t w e n t y - s i xc a s e s o f m e c h a n i s me x p e r i m e n t s o f o i ls p i l l u n d e r - c a r i o u s w i n d c o n d i t i o n s w e r ec a r r i e d o u t i naw i n d - w a t e rc h a n n e l ，w h i c hp r o v i d et i d a lf l o wf o re x p e r i m e n t s ，a n dt w e l v ec a 3 c $ o fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fo i ls p i l li nt i d a lw a t e ru n d e rv a r i o u sw i n dc o n d i t i o n s w e r ea l s oc a r r i e do u t t h r o u g ht h et u i r t y - e i g s tc a s e so fe x p e r i m e n tc a s e s ，t h eb a s i c l a wo f s p r e a d i n ga n dd r i f to f o i ls p i l lo nw a t e rc a l lb eo b t a i n e d ，a n dw h i c hm a yh e l pt o s e t t i n gd o w nt h ee m e r g e n c em e a s u r e sa n dt oi m p r o v et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es p r e a d i n ga n dd r i f to fo i ls p i l lo rw a t e r a r et r e m e n d o u s l ya f f e c t e db yw i f i d k e yw o r d s ：t i d a lr i v e rs p r e a d i n ga n dd r i f t w i n do i ls p i l l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所作的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第一章概述 1 1 研究背景及意义 随着石油工业和内河航运的发展，与之相配套的其他产业也迅速发展起来。 沿江储油设备的建立、过江输油管线的铺设、以及运油船舶向内陆河道的纵深挺 进等都为石油工业的进一步发展铺平了道路。 但随之带来的河道溢油污染却逐渐成为内陆突发性水环境污染的主要问题 之一。尤其在近海口的感潮河道，油污染问题日益突出。感潮河道是海洋与内河 航道之间的交通要道，因而必是航运最繁忙的河段。据统计【”，仅1 9 9 7 年至1 9 9 9 年，发生在我国长江及沿海码头的溢油事故就有4 3 起，事故地点多集中在吴淞口、 珠江口等感潮河道，油种以机械油和船用柴油为主，各次溢油量从几千克到几百 吨不等，且由统计数据可以看出溢油事故呈逐年递增趋势。此后，2 0 0 3 年夏黄浦 江、2 0 0 4 年岁末珠江口的两起船舶碰撞溢油事故。“”则再一次向人们敲响了警钟。 可以预见，随着石油产品需求量的猛增，溢油污染将逐渐成为内河航道主要的污 染来源之一，形势严峻。 河流不同于海洋。与海洋相比，河流水体缺乏大范围的、强烈的水体交换能 力，因而在受到严重的溢油污染时，缺乏有效的自净能力；同时，严重的河道溢 油污染也会给沿河附近城市的居民饮水、生活、灌溉、工业用水，渔业资源，旅 游观光，以及环境等带来长期的、巨大的破坏性影响；除此之外，地方政府为了 清除溢油，也要消耗巨大的人力、物力以及财力。因此，从某种意义上来说，虽 然河道上的恶性溢油事故，溢油总量比海洋溢油要小，但其社会危害性却是巨大 的! 溢油污染同火灾一样，一旦规模变大( 加之外界环境的复杂) ，便很难回收、 处理。因而采取紧急、有效的抢险措施便成为当务之急。紧急、有效的抢险措施 不但能有效的降低溢油对环境的危害，而且也能减小抢险作业的难度。然而只有 首先了解了溢油在背景流场中的运动规律，才能做到有的放矢，节约宝贵的抢险 时间，将溢油污染影响控制到最小范围，减轻、减少对水环境的影响。 多年来的研究表明：溢油在水环境中的运动迁移( 扩展、漂移、分散等) 、 风化过程不但与溢油自身的理、化性质有关，而且与外界水流流场、风场等环境 因素密切相关。不同的溢油、不同的环境因素将演化出不同的迁移、风化过程。 随着近年来溢油事故的增加以及对扩散迁移理论的深入研究，人们普遍认识到对 溢油扩散迁移起主导作用的已不再是溢油本身的物理特性，而是水流及风的作 用，而且后者的作用往往比前者更为明显。 风的存在对溢油迁移、风化过程的影响是显著的。这不仅表现在风能促进溢 油的挥发，促进波浪的产生( 从而影响溢油的扩展、漂移，促进乳化等) 上，更表 现在风对溢油扩展、漂移过程的直接影响上。1 9 7 4 年1 2 月2 8 日，在日本水岛 的c 重油事故中，头三天正值( 冬季) 西风，追使油膜以每天2 0 k i n 的速度向东漂 移；再如1 9 8 3 年1 1 月2 8 日在胶州湾内“东方大使”油轮触礁事故中，溢油后 的2 4 小时内亦正值西风，油膜向东漂移，并随潮汐流在东部团岛附近沙滩登陆， 致使水上机场跑道被封闭。，越来越多的实例已证明：风在溢油迁移、风化 过程中所起的作用是重要的，有时甚至是关键的。 感潮河道是海洋与内河航道之间的交通要道。因邻接海洋，常年受海风影响 显著，且每年夏季还要受台风侵袭。因此在研究感潮河道内溢油的迁移规律时， 必须考虑风场对溢油迁移过程的影响。也只有掌握了有风情况下，溢油在感潮河 道内的迁移规律，才能对溢油的污染范围进行准确的判定，从而为制定有效的抢 险措施提供参考。 1 2 风对溢油迁移风化过程的影响以及相关研究进展 实际上，在讨论这个问题之前，应该首先介绍溢油在水体中的迁移、风化过 程，之后，再叙述风对溢油迁移风化过程的影响但为了章节之间的连贯性，这 里对溢油在水体中的迁移风化过程不做详述，读者可参考溢油方面的相关文献介 绍 溢油在水体中所经历的迁移、风化过程可大体分为两类：迁移过程和风化过 程。 迁移过程主要包括：扩展过程，漂移过程，离散过程和沉降过程。 风化过程则主要包括：挥发过程，溶解过程，乳化过程，光氧化过程和生物 降解过程。 实际上，风的存在几乎对溢油迁移、风化过程的各子过程均有影响。但主要 2 影响扩展过程、漂移过程、离散过程、蒸发过程( 或称挥发过程) 和乳化过程。风 对其他子过程的影响很小，因而往往忽略。本节中将着重介绍受风影响显著的几 个子过程。 i 2 1 扩展过程 扩展过程是溢油迁移过程中最为重要的一个过程。也是溢油研究中最受关注 的过程。常将溢油在水面以薄膜形式向四周散开，厚度越来越薄，面积越来越大 的过程称为溢油的扩展过程。 针对溢油的扩展，许多学者致力于溢油扩展因素的研究，经过多年的发展， 逐渐形成以下几种比较知名的溢油扩展模型 1 f a y 扩展模型： 最为经典，也最具实用借鉴价值的就是1 9 6 9 年f a y 的三阶段理论扩展模型 阎。f a y 认为：溢油在“静止水面”扩展时主要受四个力的作用重力、惯性 力、粘滞力和表面张力，并在这四个力的作用下经历重力一惯性力，重力一粘性力， 粘性力一表面张力三个扩展阶段。 第一阶段，溢油入水初期，动、势能较大，油膜重心较浮力中心高，油膜与 周围水之间不平衡的压力分布促使油膜迅速向四周扩展，惯性力是此阶段阻止油 膜扩展的主要阻力。溢油运动方程为： 詈+ 帮警= 一g 警芸 c 一- ， 式中：，油膜上某点距离油膜中心的径向距离； “f 时刻半径为r 处的油膜质点的运动速度； 矗f 时刻r 处的油膜厚度； 从上面( 卜1 ) 式可得溢油前缘运动速度为： 警= 晒 心z ， 求解( 卜2 ) 式可得： d = 2 q ( a g v t 2 、- ( 卜3 ) 其中：卜油膜直径； g 重力加速度： v 油膜体积； 与待定系数，通常由实验获得； ：1 一上咝一 第二阶段，经过一段时间之后，油膜厚度减小，势能和动能逐渐减小，油层 惯性力减小，这时，油膜面积增大，拖拽的水层无论从面积上，还是厚度上都比 以前增大，因此粘滞力相对增强，成为此阶段油膜扩展的主要阻力。 此时运动方程为： 0 - - - - - - g ( 如出生) 娑一墨 ( 1 4 ) p _ 埘 o r p o d n 由( 卜4 ) 式可得油膜前缘的运动速度为： 一d d ：g 鱼虻丝娶匕( 1 - 5 ) d t 6 风。，d k 可求得： ! ! d = 2 k ：( a g v 2 0 ) 6 r 4 ( 卜6 ) 式中：毛待定系数。通常由实验获得。 第三阶段，随着油膜势能的减小，油膜扩展范围增大，表面张力成为扩展的 主要驱动力，而粘滞力成为油膜扩展的主要阻力。因此由表面张力和粘滞力建立 油膜前缘扩展速度方程，可得： 一dddtg 老妊去 m ， 邓云1 i 五 u 1 求解( 卜7 ) 式可得： 4 d ：2 岛( - 三) ；二 ( 1 8 ) p - t 口q v - 式中：七3 待定系数。通常由实验获得。 2 b l o c k e r 扩展模型 1 9 6 4 年，在f a y 扩展模型之前的b l o k k e r 油膜扩展理论中，只考虑重力和溢 油体积对油膜扩展的影响，没有考虑粘滞力和表面张力对油膜扩展的影响。得到 油膜质量守恒关系： 警= 去魄圳等 c t 4 ， 上式中： v 油膜在t 时刻的总体积； 丸通过油膜上表面的油份通量； 元通过油膜下表面的油份通量： 基于经验关系式可得油膜前缘运动速度： 警以( 一办) j 4 v 7 r d 出 2 求解( i - 1 0 ) 式，可得： d ：【魂+ 丝( 屯一) 拿v o f 】3 石 4 。 上式中： v 0 油膜总体积； d 0 初始油团直径7 t b l o c k e f 常数，随油的种类而变； 3 刘肖孔等的扩展公式： 1 9 8 1 年，刘肖孔等口5 1 人的扩展公式则是在f a y 的三阶段扩展模型的基础上 总结出的油膜扩展尺度随时间变化的统一公式。油膜直径公式可表示成为： )l ， 0 m n 卜( d ：o 6 1 1 1 r 3 ( 卢g v ) ；m 1 ( 善蹩) ；f ；+ 5 2 9 ( # ! 一) ；辛 ( 卜1 2 ) 心* 瓯m ” 4 元良扩展模型： 1 9 8 2 年，在日本东京大学元良教授的扩展模型口6 1 中，假定溢油是在。平静 海面”扩展，元良认为溢油的扩展是其所具有的位能转变为粘滞逸散能和表面张 力能的结果。 在该模型中，元良提出如下五点假定： 油膜在扩展时，始终呈圆筒状，厚度均匀。油膜初始半径为r ； 油膜在扩展过程中，始终呈二维方向扩展，f 秒后油膜的半径为r ； 油膜的总体积为v o ，水面上油的体积为v ，因而可得油膜水下部分的体积为 v o v ，根据油膜竖直方向重力和浮力相等，可得： 岛l g v o = p k g ( v o - v ) ( 1 - 1 3 ) 求解( 1 1 3 ) 式可得：v - - - - ( 旦塑盟) v o ( 1 1 4 ) p _ “ 水下部分油膜的扩展与水上部分油膜的扩展近似相同。 海面平静，海流，潮流，风的影响均忽略。 在如上的假设之下，油膜本身因其物性作用而具有如下能量： 1 ) 位置能毛： q = 圭俐鲁 ：一p g v 2 一d r ( 1 1 5 ) 石r d t 式中：g 重力加速度； 卜油膜厚度： 2 ) 运动能最： 警= 譬+ 4 剁p v 3 ) ( d 讲r ) 3 ( 1 - 1 6 ) 6 3 ) 粘滞逸散能e ： 堕d t = 互2 丝z 擘d t ) 2 、， 式中：c 速度校正系数，0 c 1 ，常取o 1 ； a 油的粘度( p o i s e ) ； 4 ) 表面张力能e ： 堕：2 z c r t 坚 破西 式中：t 空气油，空气水，油水表面张力之和； ( 1 1 7 ) ( 1 - t 8 ) 弟一惭r 段：9 9 u 狁出阴捆凼厚发孜大，具所具有阴位置就主要转挟成为运动琵， 运动方程式可写成如下形式： 堡+ 堕：o d td t 铮一警警+ ( 譬 4 删p v 3 ) ( d 删r , h 3 = 。 ( 1 - 1 9 ) 在上式中，丽4 p v 3 _ o ，则上式可以修改成： 一哮7 r r 塑d t + 丛r ( 乌d t 3 = o j 、 方程式( 1 - 2 0 ) 可以化简成为： 坐d t 俘y 去钏m 拶破、jr 石 确灿= 痒p j 旦= 式中：v 水面上溢油体积 ( 1 - 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) 第二阶段，经过一段时间之后，流出油的粘性能增长较大，同时运动能的影 响减弱，这时，位置能和粘性能之间可转化成下列数学模式： 盟+ 堡：o d td t 一警塑d t + 型2 z ( 争2 = 。丌m + j 警：瑶：孺2 p g v 葶2 v n n g n o r d r = 蒜诤 j 足：痨墨 式中：r 速度校正系数，0 c 如模型的水平比尺与深度比尺不卜几何变态模型。其中，e 竺砉 称为模型变态率。 本文的实验原型河道为上海市黄浦江宽浅河道，将原型概化为等宽度 的、顺直的、变态河道模型( 具体的比尺关系式推导见下节) 。 严格的讲，几何变态模型实际上动摇了相似理论的基础，使得模型并不完全 满足相似理论的要求。尤其是在水流三度性很强的河段，例如弯道，汉道，窄深 河段和局部拓宽或缩窄的河段，模型水流均与原型水流产生不同程度的误差。为 此，对于变态模型的适用范围和变率限制，长期以来成为从事实体模型实验的科 技人员探讨的重要课题之一。 几何变态对水工模型的相似性影响较为深刻，但到目前为止，只能对变态效 应进行模糊的估计，虽然目前对变态效应的认识十分有限，但由于变态模型可在 一定程度上克服缩尺效应以及避免制作大型模型而节省投资，因而仍然得到广泛 的应用。 除此之外，大部分天然河道属于宽浅型河道，加之港口、湖泊的模拟中都存 在着水平尺度远远大于垂向尺度的现象。因此，变态模型的使用又有其必然性。 对于这种情况，m sy a l i n 在1 9 7 1 年从理论上分析了模型变态允许的极限问 题，他认为模型变态率应该满足下面这个关系式： d e r e ”铮毒五s 瓦r e p 伢1 7 ) 克雷( k r e y ) 建议明渠流的临界雷诺数为r e ，= 1 5 0 0 6 0 0 0 ，蔡格士大通过 实验认为临界雷诺数r e ，= 8 0 0 9 0 0 ；一般的河工模型，受到水流进口条件和河 床局部不规则的影响，是能够使其临界雷诺数减小的。因此在河工模型设计中， 明渠水流的下临界雷诺数可采用r e 。= 1 0 0 0 。还有文献1 川也指出：只要模型的 最小雷诺数大于1 0 0 0 ，水流就可进入“第二自模区”。 而通常天然河道中( 即原型) 水流的雷诺数一般为1 0 7 量级以上。 因此，取原型的小值r e 。= 1 0 7 ，并取r e 。= 1 0 0 0 ，代入( 2 1 7 ) 式，可得 4 l 衙屯s 1 0 4 。比如若取屯= 1 0 0 0 ，则可得拜l o j 五_ 的扩展速度增大。 顺风边缘( 向下风方向) 扩展速度的增大，加上逆风边缘( 向上风方向) 扩 展速度的减缓，使油膜在宏观上表现出向下风方向扩展加快( 即：扩展主要集中 在油膜顺风边缘) 。并且由于顺风边缘与逆风边缘扩展速度不同( 即：存在速度 差) ，使得从宏观上看，油膜的纵向扩展尺度开始逐渐加大。 因此时，风吹时间不长，虽然逆风边缘的厚度梯度减小，但逆风边缘油膜的 厚度并未明显减小( 提醒：区别厚度和厚度梯度) 。 ( 2 ) 随着扩展的进行，油膜纵向扩展尺度逐渐增大。油膜厚度较大部分与油膜 逆风边缘之间的距离逐渐增大。产生如下现象： 厚度较大区域 逆风边缘 。厚度较大区域”与“逆风边缘”之间的距离逐渐增大( 扩展的必然结果) ； 两者之间的油膜区域厚度梯度较小即：两者之间的油膜区域厚度比较均匀 图7 9油膜水上部分厚度梯度变化示意图l 经过第( 1 ) 阶段的扩展，此时作用在油膜上表面的风力以剪切力为主。 剪切力的作用使得在油膜内部沿厚度方向产生一个垂向的速度梯度( 即： o a r , ) ； 位 速度梯度的产生意味着油膜上下表面之间发生相对位移： 相对位移的产生意味着油膜上表面的油被逐渐向下风方向输运： 输运的结果使得：输运到下风方向的油量补充了下风方向、顺风边缘附 近、油膜“厚度较大区域”的油量，同时减少了“厚度较大区域”与“逆风 边缘”之间这部分区域油膜的厚度； 下风方向，顺风边缘油量的补充使顺风边缘油膜的厚度梯度得以维持，从而 保证了顺风边缘向下风方向的扩展；而其他区域本身厚度梯度较小( g - 展速度较 慢) ，加上其他原因的油量损失，厚度也减小，使得在油膜内部沿厚度方向的速 度梯度减小，油膜逐渐有随风向下风方向漂移的趋势。 顺风边缘( 向下风方向) 扩展速度的维持，加上逆风边缘( 向上风方向) 扩 展速度的微弱( 甚至有随风向下风方向漂移的趋势) ，使油膜在宏观上表现出向 下风方向漂移；并且由于顺风边缘与逆风边缘扩展速度的不同，油膜纵向扩展尺 度仍在继续增长。 但由于剪切力输送给下风方向的油量有限，且输送速度较缓( 由于油膜厚度 在逐渐减小，速度梯度逐渐减小) ，加之。路程又远”( 即：此时油膜纵向扩展尺 度相比第( 1 ) 阶段较大) ，因而油膜顺风边缘的油量实际在缓慢减小，扩展速度 也在逐渐减小。致使油膜纵向扩展尺度的增长率在逐渐减小。从图1 4 中油膜纵向 扩展尺度曲线斜率逐渐减小能看出这一点。 ( 3 ) 随着扩展的继续进行，油膜纵向扩展尺度继续增大。将出现如下现象： 八 u ( 油膜顺风边缘的厚度也变小了，但相比其他部分仍( 相对) 显得较大； 油膜其他部分的厚度已很小； 除顺风边缘油膜厚度梯度稍显较大外，油膜其他部分的厚度梯度均非常小 圈8 0油膜水上部分厚度梯度变化示意图2 由于油膜厚度很薄，虽然作用在油膜上表面的风的剪切力依旧，但在油膜内 部，沿厚度方向的垂向所产生的速度梯度已非常的小( 攀；o ) ，油膜上下表面 0 2 之间的相对位移亦非常的小( fr 挚嬲f mo ) ，即：油膜的扩展已变得非常 缓慢了。油膜整体在风场作用下主要经历漂移过程了。 ( 4 ) 油膜厚度非常薄，再加上风对水流的作用产生波浪，风生破碎波等，使油 膜被迅速打成碎片，小油滴等，油膜的离散过程加剧，乳化过程加剧。 事实上，油膜并非到此时才发生破碎，早在第( 2 ) 阶段开始时，油膜的逆 风边缘已逐渐开始出现破碎、离散现象了如下图所示： 八 1 逆风边缘，油膜厚度较薄， 当水体紊动剧烈； 风对水面的作用产生波浪时； 逆风边缘的油膜就容易被打碎成碎片，小油滴 因而，离散过程加强，乳化过程加强 图8 1 油膜水上部分某时刻厚度分布示意图 而油膜顺风边缘及中部较厚区域，并不会明显的发生离散和乳化现象。 综上，风场的出现对溢油扩展来说，并不是简单的增加一个速度场，风场的 出现更多的是通过风力来促进油膜扩展的。 我们常常在实际溢油现场看到： ( 1 ) “油膜在扩展时呈彗星状( 彗星状即所谓的扫帚星) 即一个相对较 小范围的厚油区拖着一个范围较大的薄油膜区”。 ( 2 ) “油膜迁移时呈彗星状，且在后面这部分较薄的油膜中，离散作用比较 明显，风力对进入水体的小油滴的作用比水面油膜要小的多”。 等真实现象。 可见，由上述“( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 四个阶段”对油膜扩展、漂移的解释 与实际溢油现场所观察到的现象符合的很好。 2 风场下的连续溢油扩展( 无水流，仅有风场) ； 有了上面风场中瞬时溢油扩展、漂移过程的描述，便不难解释连续溢油中， 油膜在风场下的扩展情况了。 对于连续溢油来说，因溢油点固定，且不断有油进入水体，因此，溢油点与 油膜的逆风边缘之间便能在一定风速下形成油量供应的稳定局面即：保持一 9 l 个动态平衡的厚度梯度。这样，风速的增大，只打破原有平衡的厚度梯度分布， 使油膜逆风边缘向溢油点靠近。当靠近到一定程度，建立新的平衡的厚度梯度时， 逆风边缘便不再向溢油点靠近。 溢油点油量的不断补充，使油膜厚度能够保持，因而风速的增大就能加大油 膜内部沿厚度方向垂向的速度梯度，因而能够加快油量向下风方向、顺风边缘的 输运过程，因此油膜顺风边缘的扩展能够持续进行，扩展速度能够基本得以保持， 油膜纵向扩展尺度随风速的增大增加的更快( 如图2 4 ) 3 风、流共存且同向时，油膜的扩展： ( 1 ) 瞬时溢油： 第四组实验为风流共存且同向时，瞬时溢油实验。 比较第四组实验与第二组实验( 无流，只有风) 可以发现共同的特点，如下 所示( 将两组实验结果图放在一起，便于比较) ： 孝等 l i i i 磊i r r ； j 手 仁 搿矬器譬x 器 1 十z 况1 1 a 囊上下* 边再距i ；： 图1 4 工况3 、4 、5 油膜上下游边界距离图3 2 工况9 、1 0 、1 1 油膜上下游边界距离 ( 第二组实验结果)( 第四组实验结果) 上面两图表明：风、流同向情况下( 第四组实验) ，瞬时溢油油膜的扩展与 无流情况下( 第二组实验) 瞬时溢油油膜的扩展规律基本相同，即：风速的变化 对油膜纵向扩展尺度的影响很小。 两图的差别在于图3 2 中，水流流场事先有速度，图1 4 中，水流流场事先为静 止。因而这两组实验可以看作是风速相同，水流速度不同的实验工况。即：工况 3 与工况9 相对应；工况4 与工况1 0 相对应；工况5 与工况1 1 相对应。各对应工况风 速相同，但流速不同( 一个有流速，一个没有) ，有流速时风、流同向。 比较图1 4 和图3 2 ，可以发现，图3 2 中油膜纵向扩展尺度比图1 4 中对应工况在 相对应时刻的纵向扩展尺度大。 工况1 与工况3 、4 、5 的差别在于前者无风场( 也无流场) ，而后三者有风场 ( 但也无流场) 。无风场和有风场相比，油膜的扩展是完全不同的，这在前面已 经叙述了( 即：2 5 2 中的l ，还有图1 2 ) 。 同理，第二组实验与第四组实验的差别在于前者无水流流场，而后者有水流 流场，无水流流场与有水流流场相比，油膜的扩展也可能明显不同( 类似于上面 无风场和有风场的情况) 。笔者认为这牵扯一个水面下油膜扩展的机理问题( 可 能与水上风场作用下油膜扩展的机理相似) ，但因本实验主要关注风场对溢油油 膜扩展、漂移的影响，因此对水面下溢油扩展的问题不作深究。此处只需知道， 有水流时，油膜的纵向扩展尺度比无水流时大。 从图1 4 和图3 2 的比较看出，水流流场的出现加剧了油膜的扩展；而从图5 与 图2 5 的比较，图7 与图2 7 的比较，图9 与图2 9 的比较又能看出( 为便于对比，下面 将相对应的图放在一起) ，水流流场的出现又明显的促进了油膜的漂移。正如前 面2 5 2 中的1 中所述，将任意一个速度场叠加到原先的背景速度场上时，要通 过必要的修正，才能体现该速度场的加入对油膜扩展、漂移两方面的贡献。 卅。”一 if 王一r r r r r r 嗨卜卜卜卜卜 0 x b 【骧 懿；嚣i r k r 警跫塑；! 生j ；i k ； 0 ，0 0 j ：薅、= 0 ；：卜 i t l l l ( 簟位；营) 图5 油膜上下游边界坐标曲线 ( 只有风场，风速一1 2 小j ) 片阿革位：参) 图2 5油膜上下游边界坐标曲线 ( 风、流同向，风速一1 2 坍j ) *一掣v鼙新t鏊卜q磊 ； ； 科 i ，一r r r 卜、| ； 、 j ”卜、 、；ij； 一墨r r f ； 、ki i 一 、_ r - 抽旺耐玎f 确ir： 一l 警堕挲! 掣r r 。? 、 图7 油膜上下游边界坐标曲线 ( 只有风场，风速一2 0 肌s ) 一-一i - o o ：j 。= = = 拦= 矗琶l ： i 、 、l| 、 、 l 乙! ：生 一叫 ；i k l ；l 潜毒一 图9 油膜上下游边界坐标曲线 ( 只有风场，风速- 3 4m l s ) i ：i l 镏；嚣 _ i - 。 、+ 卜- k ； 、ji 十 ：。 毒 ；n 卜_ = = 一， ； ；、 t： 、之l； ；、i j 图2 7油膜上下游边界坐标曲线 ( 风、流同向，风速一2 0 ，l ，$ ) g 腱下擗边再坐镕 、k ；i ； 、畦 ； 1 1 沁。 ；、 !； 图2 9油膜上下游边界坐标曲线 ( 风、流同向，风速一3 4m ，s ) ( 2 ) 连续溢油： 第六组实验( 溢油速度0 0 2 5m l s ) 、第八组实验( 溢油速度0 0 1m l s ) 为风流共存且同向时，连续溢油实验。 同样，比较第六组实验、第八组实验以及第三组实验，也可以发现共同特点。 ( 各组实验结果图放在一起便于比较) ，如下所示： 鬟譬v蓦t捌曩卜叫。_篇 i自t)4毒l *_掣v颦剞t臂靠卜i_薯 | 胜 虢 r i r ；i 乎 ： & 襄：磐黯2 器l + r 况嘲i 下* 边 膏i 图2 4 工况6 、7 、8 油膜上下游边界距离 ( 第三组实验，溢油速度0 0 2 5 m 1 s ，无流) h 一( 位，# ， 图4 8 工况1 5 、1 6 、1 7 油膜上下游边界距离 ( 第六组实验，溢油速度0 0 2 5 m l s ) h h 但节， 图6 4工况2 5 、2 6 2 7 油膜上下游距离对比 ( 第八组实验，溢油速度0 0 1 n 1 1 s ) 上面三图表明：风、流同向情况下，连续溢油油膜的扩展与无流情况下连续 溢油油膜的扩展规律也基本相同，即：风速的变化对油膜纵向扩展尺度的影响较 大，油膜的纵向扩展尺度随风速的增大而增大。油膜的扩展主要集中于油膜顺风 边缘的扩展。 三图的差别在于图4 8 、图6 4 中，加风场前，水流流场有速度，而图2 4 中，加 风场前，水流流场为静止。因而第三组实验( 图2 4 ) 与第六组实验( 图4 8 ) 可看 作是风速相同，水流速度不同的实验工