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上海海事大学域十学位论文海上溢油i 口l 收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 摘要 本项目来源于国家自然科学基金资助项目( n o 5 0 3 7 9 0 2 4 ) 和上海市重 点学科资助项目( t 0 6 0 1 ) 。并且对已研制出的溢油回收人工水母装置结构 申请了专利：一种水面溢油回收器( 申请专利号为2 0 0 6 1 0 1 1 8 2 0 9 3 ) 。 海上溢油控制与回收是海洋环境保护中的世界性难题之一。从目前国 内外海上溢油回收技术的研究现状来看，在恶劣海况条件下，海上溢油回 收问题并没有得到很好的解决。本课题首次应用仿生机械学原理，仿照天 然水母设计出溢油回收人工水母试验装置。本文在前人研究的基础上，研 制出了溢油回收人工水母试验装置，并重点对该试验装置模型进行了特征 分析和试验研究。本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 本文在已设计出的人工水母基本模型结构的基础上，对原有人工 水母基本模型结构进行了改进与优化，研制出了实验室条件下的溢油回收 人工水母试验装置。 ( 2 ) 通过对b u r g e r s 涡数学模型的重点研究，对溢油回收人工水母装 置吸油特性的影响因素进行了定性分析，得出了影响人工水母装置吸油 特性的主要因素，主要影响因素有：装置的主轴转速、搅拌叶轮和排水叶 轮的结构尺寸、搅拌叶轮的安装位置以及溢油的自身特性等。 ( 3 ) 根据溢油回收人工水母装置模型的旋涡理论分析，从简单到复杂 设计了三个不同阶段的试验方案：可行性试验、主要参数匹配试验和吸油 特性试验。解决了在人工水母试验装置壳体内部流场极其复杂条件下，流 场相互于扰问题、进口流量与出口流量匹配问题、主轴转速与叶轮安装位 置的匹配问题等，为人工水母装置吸油特性试验研究创造了条件。 ( 4 ) 重点对人工水母试验装置模型的吸油特性进行了试验研究。分四 种工况条件进行了主轴转速与溢油回收效率关系的试验，对四种工况条件 的试验结果进行了原因分析。 ( 5 ) 通过对人工水母试验装置模型的试验研究，对现有人工水母装置 模型提出了改进措施。 关键词：溢油，回收装置，人工水母，旋涡，试验研究 a b s t r a c t t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 3 7 9 0 2 4 ) a n db ys h a n g h a ip i v o t a l s t u d yd e v e l o p m e n t f o u n d a t i o ni nc h i n a ( t 0 6 0 1 ) t h i sp r o j e c tp r o v i d e st h ee f f e c t i v em e t h o d f o rr e s e a r c h i n gt h ed e v i c ei nr e c o v e r i n gs p i l l e do i l a n dw eh a v ea p p l i e d f o rt h ep a t e n to nt h es t r u c t u r eo fa r t i f i c i a lj e l l y f i s h w i t ht h en a m e 。r e c o v e r yd e v i c eo fs p i l l e do i lo nw a t e rs u r f a c e ”，w h i c ha p p l y i n gc o d ei s 2 0 0 6 10 118 2 0 9 3 i ti so n eo ft h ec o s m o p o l i t a na n dd i f f i c u l tp r o b l e m st oc o n t r o la n d r e c o v e r yt h es p i l l e do i lo nt h es e a 。p r e s e n t l y ，t h ep r o b l e mo fs p i l l e do i l r e c o v e r yo nt h es e ah a sn o ts o l v e dv e r yw e l la l l o v e rt h ew o r l du n d e rt h e h a r dc o n d i t i o n so nt h es e a i nt h i sp r o j e c t ，w eh a v ei n t r o d u c e dt h e t h e o r yo fb i o m i m e t i cm e c h a n i c si n t ot h ed e s i g nf o rt h ef i r s tt i m e s ，a n d d e s i g n e dt h es p i l l e do i lr e c o v e r yd e v i c e - t h ea r t i f i c i a l j e l l y f i s hd e v i c eb y i m i t a t i n gn a t u r a lj e l l y f i s h i na d d i t i o n ，w eh a v ep a i d t h em o s ta t t e n t i o no n t h e s t u d y o f t h ec h a r a c t e r a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t o f t h e a r t i f i c i a l - j e l l y f i s ht e s t i n g d e v i c em o d e l t h em a i nc o n t e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r ei nt h ef o l l o w i n gc o n t e x t ： ( 1 ) i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ee x i s t e da r t i f i c i a l - j e l l y f i s hs t r u c t u r e m o d e l ，w eh a v em a d es o m eo p t i m i z et ot h es t r u c t u r e ，a n dw o r k e do u t t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ea r t i f i c i a l - j e l l y f i s h d e v i c eu n d e rt h el a b c o n d i t i o n ( 2 ) t h r o u g h t h es t u d yt ot h ev o r t e xt h e o r y ，e s p e c i a l l y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb u r g e r sv o r t e x ，w eh a v eg o ts o m ef a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h eo i li n d r a f tp e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c eq u a l i t a t i v e l y t h em a i n f a c t o r sa r ep r i n c i p a la x i sr o t a t i o ns p e e d ，s t r u c t u r ed i m e n s i o no fw h i s k i m p e l l e ra n dd r a i n a g ei m p e l l e r ，i n s t a l l e dp o s i t i o n so fw h i s ki m p e l l e ra n d c h a r a c t e r so fs p i l l e do i l ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o fi m p a c tf a c t o r s ，f r o ms i m p l et o c o m p l e x i t y ，w eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n ts t u d yt ot h ea r t i f i c i a l j e l l y f i s h d e v i c eb yt h r e es t e p s t h et h r e es t e p sa r ef e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t 。m a t c h 上海海事人学颀上学位论文海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析j 试验研究 e x p e r i m e n to ft h em a i ne f f e c tf a c t o r sa n de x p e r i m e n to f o i li n d r a f t p e r f o r m a n c e d u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，f o rt h ec o m p l e x i t yo ff l o wf i e l d i n s i d et h es h e l l ，w eh a de n c o u n t e r e dw i t hm a n yd i f f i c u l tp r o b l e m s t h e p r o b l e m sj u s tl i k ei n t e r f e r eo ff l o wf i e l d s ，t h em a t c hb e t w e e nt h ef l u xo f i n p u ta n do u t p u ta n dt h em a t c hb e t w e e nt h ep r i n c i p a la x i sr o t a t i o ns p e e d a n df i xp l a c e m e n to fi m p e l l e r s ，e t c b yr e s o l v i n gt h ep r o b l e m sa b o v e ， t h e nt h ee x p e r i m e n to fo i li n d r a f tp e r f o r m a n c eh a sb e e nd o n em o r e e a s i l y ( 4 ) w eh a v ep a i dt h em o s ta t t e n t i o no nt h ee x p e r i m e n ts t u d yo fo i l i n d r a f t p e r f o r m a n c e w e h a v es t u d yt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e p r i n c i p a la x i sr o t a t i o ns p e e da n dr e c o v e r ye f f i c i e n c yo ft h ed e v i c eb yt h e e x p e r i m e n t su n d e rf o u rg i v e nw o r kc o n d i t i o n s m e a n w h i l e ，w eh a v e a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ( 5 )b a s e do nt h e e x p e r i m e n t r e s u l t s 。w eh a v e g i v e n t h e i m p r o v e m e n tw a y st ot h es t r u c t u r eo fa r t i f i c i a lj e l l y f i s hd e v i c e k e y w o r d s ： s p i l l e do i l ，r e c o v e r yd e v i c e ，a r t i f i c i a l - j e l l y f i s h ，v o r t e x ， e x p e r i m e n ts t u d y i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 肩发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：鍪盗盘日期：2 互z ：! 墨： 论文使用授权性声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签字：数逢跑导师签字 日期 上海海事人学硕上学位论文海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 第一章绪论 1 1 引言 自1 9 9 3 年我国从石油出口国转为石油净进口国以来，石油进口数量不 断上升，沿海的石油运输量大幅增加。我国进口的石油9 0 是通过海上船 舶运输来完成的，2 0 0 6 年我国沿海石油运输量达到4 3 1 亿吨，其中运输 原油1 8 7 亿吨。石油进口量的迅速增加，使港口和沿海油轮密度增加， 2 0 0 6 年航行于我国沿海水域的船舶已达到4 6 4 万艘次，平均每天1 2 7 0 0 艘 次，其中各类油轮达到1 6 2 9 4 9 艘次，平均每天4 4 6 艘次。油轮特别是超大 型油轮在我国水域频繁出现，使得原已十分繁忙的通航环境更加复杂，导 致船舶溢油污染，特别是重特大船舶溢油污染的风险增大。 1 2 我国海域溢油污染现状1 1 l 渤海湾、长江口、台湾海峡和珠江口水域是我国沿海四个船舶重大溢油 污染事故高风险水域。如图1 1 所示。 据统计，1 9 7 3 2 0 0 6 年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2 6 3 5 起， 其中溢油5 0 吨以上的重大船舶溢油事故共6 9 起，总溢油量3 7 ，0 7 7 吨，平 均每年发生两起，平均每起污染事故溢油量5 3 7 吨。以上海港为例，从1 9 7 8 年至2 0 0 6 年，上海港共发生各类污染事故4 3 9 起。其中1 0 吨以上的重大船 舶溢油事故3 8 起，溢油量5 0 吨以上的特大溢油事故1 8 起，总溢油量超过 5 0 0 0 吨。进入2 1 世纪以来的几次重大事故更是造成上海水域环境的严重污 染，甚至给城市安全和稳定形成威胁。例如2 0 0 3 年8 月5 日黄埔江溢油事 故造成8 5 吨燃油泄漏，使黄埔江上游准水源保护区8 公里岸线受到严重污 染：2 0 0 5 年4 月8 日，韩国g gc h e m i s t 轮6 7 吨甲苯和燃油泄漏入海，造 成周围水域大面积污染。2 0 0 6 年6 月2 7 日，台州“浙黄机7 0 1 ”轮沉没， 事故造成3 5 4 吨9 8 弄硫酸泄漏入海。 上海海事大学硕上学位论文海上溢油剜收人工水母装置模型的特征分斩与试验研究 图1 11 9 7 3 2 0 0 5 年我国沿海船舶重大溢油事故分布图 迄今为止，我国从未发生过万吨以上的特大船舶溢油事故，但特大溢油 事故险情不断。除6 9 次溢油5 0 吨以上的重大溢油事故外，1 9 9 9 2 0 0 6 年， 我国沿海还发生了7 起潜在重特大溢油事故。如2 0 0 1 年装载2 6 万吨原油的 “沙米敦”号迸青岛港时船底发生裂纹；2 0 0 2 年在台湾海峡装载2 4 万吨原 油的“俄尔普斯亚洲”号因主机故障遭遇台风遇险；2 0 0 4 年在福建湄洲湾 两艘装载原油1 2 万吨的“海角”号和“骏马输送者”号发生碰撞；2 0 0 5 年 装载1 2 万吨原油的“阿提哥”号在大连港附近触礁搁浅。以上事件，虽然 经海事部门及时采取措施，未造成重大污染，但也可以看到，船舶特大溢油 事故的风险的确在增大。 1 3 海上溢油回收技术简介【2 】 现有的清除或回收海上溢油的方法有很多种，一般来说，海上溢油处理 方法分为物理处理法、化学处理法和生物处理法。 上海海事人学硕上学位论文海上溢油【口j 收人1 = 水母装置模型的特征分析与试验研究 1 3 1 物理处理法( 机械回收) 机械回收是指在不改变溢油形态的情况下利用围油栏将溢油进行围控 并利用收油机将油从水面分离出来，以清除水面溢油。 使用机械回收的优点： ( 1 ) 将溢油影响区域化以减少污染； ( 2 ) 可使溢油逐渐集中，增加油层的厚度以简化溢油回收； ( 3 ) 将溢油从海面上回收以便进一步的处理、提炼或倾倒。 机械回收有赖于在一定的海况下使用围油栏，围油栏的围油效果，直接 受到海面浪高、水流速度和风速等海况条件的限制。表1 一l 所示为围油栏 的主要要求数据： 表1 1 对围油栏的主要要求数据 环境最大有效操作浪离( m ) 1 干舷高度( m ) 2 吃水( m ) 3 近岸或平静海域o 31 0 - 2 51 5 3 0 港湾0 92 5 4 63 0 - 6 1 海上1 8 4 6 6 1 表l 一1 所示为围油栏的主要要求数据，其中各个参数含义如下： ( 1 ) 最大有效操作浪商；围油栏预计可进行有效操作的最大浪高 ( 2 ) 干舷是围油栏高出水面的部分，也就是围油栏可以阻挡原油“飞 溅”的部分。 ( 3 ) 吃水是围油栏处于水面下的部分，它由一个“围裙”和浮漂组成。 1 3 2 化学处理法 ( 1 ) 喷洒消油剂 化学消油帮可以分解表面的浮油，使其沉浮在水面下。当消油剂均匀地 喷洒在海面上与溢油混合，表面活性剂的分子排列在油、水界面上，降低了 油水界面的表面张力，使油膜分散成小油滴。被分散的小油滴的表面积远远 大于油膜原来的表面积，他们随着海水的流动而不断扩散，达到消油效果。 表1 2 给出了使用化学消油剂处理海上溢油时的优缺点。 上海海事人学硕上学位论文海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 表卜2 使用化学消油剂的优缺点 优点 缺点 化学消散后的油比未经化学消散的油更消油剂对重质油和含腊油、乳化油不起作 不易粘在海面上用 油被从海面清除，因此减少了对水鸟的危分解后的油渗透到更深的水下，可能会对 害水下生物造成危害 化学分解后的油的生物消化进程似乎比 未经过分解的油快 消油剂降低了轻碳成分蒸发的能力 化学分解后的油更不易被风吹动，结果可消油剂可能会消除油的感光氧化作用。不 以避免对海岸线造成影响 过这是一个相对弱的分解途径 化学消油剂的岸上使用可能会增加可渗透 可以防止稳定的“油中水”乳化的形成 性的油转变为可渗透性多孔沉淀物的数 量。然而很难说这种沉淀物比未经化学分 通过化学分解，火灾的危险被降低了 解的油更难持久 化学消油剂对海洋里和海岸线上生长的动 可能在一定天气或海况下唯一的办法 植物来说是有毒的对于动植物最直接的 影响是它们无法在无忧的栖息地里生长了 ( 2 ) 现场焚烧 现场焚烧是一种考虑用于开阔海域的应急反应对策。该方法所产生的巨 大的油烟会影响到人员、设施、船舶和飞机的安全。 现场焚烧技术的受制条件很多，既要有一定的油膜厚度、油膜面积，还 要有与燃烧速率相适应的集油速度以及适宜的现场气候、海况和溢油的乳化 程度等，同时还应有相应的应急设备。 1 3 3 生物处理法( 生化补救) 生化补救包括向溢油增加肥料助长和激活噬油细菌和真菌。这种应急对 策还包括使用人工合成，培养或移植的微生物，把它们放置在浮油和浸油的 海岸线上。 虽然有一些在浸油海岸线上使用成功的报道，但对海上溢油使用的例子 还未被证实。使用移植或利用基因工程培养的微生物，还引起各国政府的关 上海海事大学硕上学位论文 海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 注。 总之，如果海上发生船舶溢油事故，首先应该是尽快的控制溢油源，例 如遇难船就要首先用堵漏毯等工具进行堵漏，并撒布聚油剂，阻止溢油在海 面上进一步扩散，然后用围油栏将溢油拦截控制，再使用各种机械回收装置， 如吸油装置、网袋回收装置、油拖把及各种吸油材料等对溢油进行回收处理。 对厚度为0 5 3 o m m 的浮油可用凝油剂使之固化、再用网袋回收；油层厚 度小于0 5 m m 的可使用乳化分散剂。外海的溢油可用燃烧法处理，深海区的 溢油可用沉降型凝油剂使之沉入海底，由海底生物消化吸收和在底泥中降 解、净化。 1 4 海上溢油回收技术国内外研究动态 1 4 1 国外研究动态 为了防治溢油污染，最大限度地减少溢油造成的损失，国内外 均对回收溢油领域十分重视，并进行了大量的研究。 日本f u j i t a i ，y o s h i e m e 3 】等人研制出了“真空抽吸式撇油器”，用于 近海岸高粘度溢油的回收。该装置在风浪较大的海况条件下比在较平静的 海况条件下的处理性能好。 美国加利福尼亚大学的b r o j e ，v i c t o r i a l 4 】发明了一种可以安装在溢 油回收机的滚筒或撇油器上的一种亲油性多凹槽结构的装置。安装有该装 置的油回收机或撇油器可以大大提高溢油回收的效率。主要缺点就是不能 够独立使用。 黎巴嫩的a hh a n m m o u d l 5 】对压堰式撇油器进行了优化，大大提高了压 堰式撇油器的溢油回收效率。他在压堰式撇油器内安装了一套喷水装置， 通过向撇油器的压堰内喷射具有一定压力的水流，在压堰内形成旋涡流场， 溢油则被吸入到旋涡中，吸油装置从旋涡底部将被吸入旋涡的溢油回收回 来。通过试验研究表明，被优化过的压堰式撇油器的溢油处理效率是没有 被优化前的两倍。 来自! ! ! ：坠巳! 垒n d = q g ：q 堡【6 】上刊载了一篇关于滚动刷式撇油器溢油 回收性能的研究。该文通过一系列的试验研究得出：装置的回收效率随着 油刷的直径、滚动速度、到油水分界面的距离的增大而提高；另外，该研 究还表明，该装置主要是用于中高粘度溢油的回收。 美国阿联酋u a e 国立大学化学与石油工程学院的s h e d i da s h e d i d ， 上海海事大学硕l 学位论文海卜溢油删收人工水母装置模型的特征分析j 试验研究 j a m a lh a b o u k a s s e m 等【7 1 设计出了用于海上原油溢出后进行清理的环形 管道式溢油清理机械装置。并研制出了试验装鼍模型。同时对试验装置在 不同温度、不同油种、不同油层厚度的条件下进行了一系列的试验研究。 结果表明，该装置对重油的清理效果比对轻油的处理效果好很多。同时， 温度越低，装置的处理效率就越高。该装置主要适用于寒冷海域高粘度溢 油的清理。 法国的f m u t t i n 和s n o u c h i i s 】根据建立的数学模型，用有限元的 方法对使用围油栏对溢油事故进行紧急围堵的整个过程进行了数值模拟。 埃及亚历山大大学的mfk h a l i l 和黎巴嫩贝鲁特阿拉伯大学的a h h a n m m o u d1 9 】对滚筒式撇油器的溢油回收性能进行了研究。他们的研究表明， 滚筒式撇油器的回收效率随着滚筒的直径、长度、滚筒中心高出油水界面 的距离的增大而提高；随着溢油粘度和表面张力的减小而提高。同时，他 们还总结出了用于预算滚筒式撇油器的回收效率的经验公式，并且利用实 际的数据验证了公式的正确性。 伊朗伊斯法罕科技大学a b a y a t ，s f a g h a m i r i 1 0 l 等对三种吸油材 料：聚丙烯、稻草和甘蔗渣的溢油处理能力进行了分析对比，发现稻草的 吸油特性最差，溢油的粘度是影响吸油材料性能的关键因素。 挪威m i r o s 公司开发了一套溢油探测系统i l 。该系统的工作原理是对 导航雷达标准x 波段采集的数字化雷达图像进行筛选和处理。当有溢油事 故发生时，该系统会自动发出警报。用户通过友好的绘图界面，可以看到 溢油事故的发生地点、溢油的粘度以及其他一些对于指导溢油回收操作有 价值的信息。 1 4 2 国内研究动态 中科院的w a n g as d ，s h e n ay m ，和z h e n g by h 1 1 2 1 对海上溢油 的扩散和消失的整个过程进行了二维的数值模拟，进而对溢油事故对生态 环境影响及应采取的应急措施进行了仿真研究。 沈阳市的张春喜和王旭生【圩l 发明了一种不锈钢网带式浮油回收装置。 该装置以循环运动的不锈钢带代替一般浮油回收机的托带、管、浮筒和钢 带等，回收浮油不受浮油的枯度、油层的厚度及浮油池的大小、形状的影 响，结构简单。 赵鑫，鲍治宇1 1 4 l 等，以壳聚糖、十四酰氯、氯乙酸为主要原料，合成 了一种离子型壳聚糖水面溢油凝油剂，用于水中柴油、机油、苯和二甲苯 上海海事大学颈十学位论文 海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析b 试验研究 的回收处理。其特点是基本不受海水盐度的影响。 中国科学院电工研究所研制了“电磁流体海洋溢油回收技术”【”】，该 技术原理是基于海水与油或化工原料具有不同的导电特性；海水和浮油的 混合物进入一个具有磁场和电场相互作用的分离装置，由于海水导电，将受 到一个电磁力( 洛仑兹力) 的作用而运动，油不导电，将不受电磁力的作用， 两者产生不同的运动状态而“分道扬镳”。通过这种电磁流体动力过程， 将溢油从海水中分离和回收。可应用于海洋轮船和油井事故溢油( 包括化 工原料) 的污染处理，海港码头溢油污染的处理等。缺点是不适于回收高 粘度溢油。 综观国内外研究现状，世界上已研制出各种处理海上溢油的技术和设 备。由于海上溢油的控制和扩散是一个恶性循环，越控制不住，扩散区域 就更大，更不容易控制，最终形成无法收拾的环境灾难。另外，海上船舶 溢油事故的发生具有一定的偶然性，时间和地点的不确定性，以及海况条 件的恶劣等，更增加了溢油控制与回收的难度。对于海上溢油控制与回收 这一世界性难题，目前即使是那些拥有雄厚经济与技术实力的发达国家， 虽然投入了相当大的研究力量，然而也没有得到恶劣海况条件下海上溢油 控制与回收的有效技术和设备。总之，在恶劣海况条件下，海上溢油控制 与回收问题并没有得到有效解决。 1 5 论文的选题依据和内容安排 随着我国各种油类物的海上运输日益频繁，我国正处在海上溢油事故 频发及溢油污染高风险期。根据我国海上溢油控制与回收技术和设备不足 的现实，紧跟国际溢油处理技术的最新研究动态，不断开发溢油处理的新 技术和新方法，已迫在眉睫。 本课题通过对收集的尽可能多的目前在用的各种海上溢油处理的技 术与设备剖析后发现，当今国内外在用的溢油处理技术多数是依照传统的 设计理念研制的，或者是在原有装备的基础上进行优化、改装。因此都各 自存在有一定的局限性，在恶劣海况条件下，海上溢油回收问题依然没有 很彻底的解决。本课题组认为，解决恶劣海况条件下，海上溢油回收问题 的关键之一在于转变设计理念，进而采用仿生机械学原理，依照天然水母 凭借薄膜可以包容着庞大体积的液体在风浪中随波逐流，提出海上溢油回 收人工水母技术，并得到了国家自然科学基金资助( n o 5 0 3 7 9 0 2 4 ) 和上海市 重点学科资助( t 0 6 0 1 ) 。作者在前人【1 6 卜1 1 7 】研究出的溢油回收人工水母基 上海海事大学硕士学位论文海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 本模型的基础上，研制了实验室条件下的溢油回收人工水母试验装置，进 行了溢油回收人工水母装置模型的旋涡理论分析，重点对人工水母装置模 型的吸油特性进行了试验研究。 本论文的主要内容安排如下： 第一章对我国海上溢油污染情况进行了介绍。根据对现有溢油回收原 理的研究，讨论现有溢油回收方法的优缺点。 第二章根据已有的人工水母结构设计模型，研制实验室条件下的人工 水母试验装置模型。 第三章依据现有的旋涡理论及己建立的相关的数学模型，定性地分析 影响人工水母装置的溢油处理性能的因素。 第四章根据对人工水母溢油处理性能影响因素的理论分析，对人工水 母试验装置模型进行试验研究，得出试验结论。进而对装置结构尺寸进行进 一步的优化以达到将其应用于实际的海况中的目的。同时论证数学模型的理 论分析的正确性。 第五章全文的总结以及工作展望 上海海事大学硕上学位论文海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 第二章海上溢油回收人工水母装置简介 2 1 溢油回收人工水母模型结构设计简介1 1 6 卜【1 7 l 海上溢油回收人工水母模型设计思路来源于天然水母。水母作为 海洋中的浮游生物，它的胃环流系统对设计者有很大的启发，水母是在口 腕的作用下将食物和水吸入胃腔的，在水母内部，从每个胃囊向伞的边缘 通出一系列的小管，它们按照一定的图案结构呈辐射状伸向伞的边缘，这 些小管都是由内胚层的上皮细胞形成的，向管腔的一面都有纤毛分布，由 于纤毛的摆动使水流朝一定方向流动，从而保证了氧气的供应以及营养物 的输送。水母有8 个感觉球或称触手囊，每个感觉球位于一伞缘的曲壳内， 由于感觉球的存在将整个伞缘均匀地分成了8 个缘瓣。感觉器本身是一中 空的棒状物，其游离端堆积着许多多角形的内胚层细胞，每一细胞含有一 个由硫酸钙和少量的磷酸钙形成的平衡石，这些平衡石加上感觉棒外缘的 外胚层细胞，共同形成一具有平衡作用的平衡囊。 当海上发生船舶溢油事故，可以仿造天然水母通过管道将水和浮油吃 到肚子中，设计装置一个通过许多呈辐射状的管道将油水混合物吸到装置 容体中。根据水母的管道里纤毛的作用原理，设计了一个水泵，从而保证 装置外部的液体能不断的进入到装置容体中来。根据水母的外形可以将储 油囊设计成钟罩型，水母是个柔性体，所以又将储油囊设计成柔性的。随 着回收石油的增多，它也变的越来越大，直到全部充满，然后就可以将它 打捞回来。根据水母的平衡囊，设计者在装置的四周安装了8 个圆柱型的 浮体，可以采取中空的充满气体的气囊，一方面可以使整个装置浮在海面 上，另一方面浮体靠在管道边上，可以使油水混合物更容易迸入管道。 在设计中还引入了旋涡的概念。通过旋涡的形成，油和水都受到离心 力的作用，由于油的密度比水的密度小，当水中产生旋涡的时候，会在旋 涡中心附近产生一个具有抽吸作用的低压区，因而在旋涡中心附近的油层 会越来越厚。设计者充分利用了这一原理，通过电动机带动处于装置中心 的带有叶轮的轴旋转，形成旋涡，使得处于入工水母壳体中央附近的油层 越来越厚，从而方便油泵将浮油回收。如图2 1 所示是溢油回收人工水母 结构模型的示意图。 上海海事人学硕上学位论文海上溢油回收人t 水母装置模型的特征分析与试验研究 1 柔性储油囊；2 管道( 共8 个)3 浮体( 共8 个) ； 4 水界面测控器；5 潜水电动机；6 水泵； 7 壳体；8 油界面测控器；9 油泵 图2 - 1 溢油回收人工水母模型结构的示意图 人工水母装置工作时，整个装置漂浮在海面上，使管道2 的进口位置 正好对着海面，海水顺着管道2 流入装置，开启电动机5 ，使旋转轴转动， 水泵6 自动排水。水泵6 排水形成压力差，从而使海水和石油的混合物不 断的从管道2 的进口进入人工水母壳体中。旋转轴旋转使装置里的水形成 旋涡，使旋涡中心的油层加厚。油泵9 自动开启，吸走聚集在中心部位的 原油，将原油收集到柔性储油囊1 中。 2 2 溢油回收人工水母试验装置研制 作者在董伟1 1 6j 研究的溢油回收人工水母基本模型( 图2 1 ) 基础上，结 合实际试验需要，研制了实验室条件下的溢油回收人工水母试验装置。研 制过程中力求使装置结构更加简单，使用更加方便，因而对人工水母模型 结构行了局部的改进优化。具体工作如下： ( 1 ) 根据实际的试验条件，将人工水母试验装置模型的尺寸缩减到原 设计尺寸的5 0 。 l 海海事大学硕士学位论文海上溢油【口j 收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 ( 2 ) 在原设计结构模型中，为了增加结构在水面上漂浮时的稳定性， 把电动机安装在整个装置结构的最下面( 如图2 1 中5 的位置) ，但是由于 市场上很少有出售潜水电动机的商家，同时使试验方便，因此作者将电动 机改装在装置的上部( 如图2 一l 中9 的位置) 。 ( 3 ) 用一个排水叶轮来代替原排水口处的排水泵，进而使得整个装置 的结构更加简单轻巧。 ( 4 ) 为了实现无级变速的目的，作者使用了变频电机作为人工水母试 验装置模型的核心动力源。同时，重点设计人工水母试验装置的动力源系 统，将原普通吸油泵更换为结构更为轻巧的单螺杆油泵，将单螺杆泵的中 心轴加长，在加长轴上安装搅拌叶轮和排水叶轮。即装置的吸油、搅拌形 成旋涡和将壳体内多余的水排除壳体这三项功能仅使用一台电机来实现 ( 如图2 - 3 所示实验条件下的人工水母试验装置模型) ，从而使机构大大简 单化。 ( 5 ) 将原设计中的固定在壳体上的储油箱拿掉，改成使用一条外伸的 软管直接联到专门的储油装置中，这样既可以减轻装置的重量，还可以避 免装置在海上吸油的时候由于逐渐加重的储油箱带来的不稳定性。 下面将详细介绍改进后人工水母试验装置模型的具体结构设计。 2 2 1 材料的选择 ( 1 ) 壳体 对于壳体来说，它不承载很大负荷，但要求有良好的冲击强度和硬度、 适中的拉伸强度和尺寸稳定性并要求材料的价格适中。整体要求透明或者 半透明，耐湿气，耐石油。综合考虑，选择有机玻璃作为壳体的材料。 ( 2 ) 排水叶轮和搅拌叶轮 基于本装置的特性以及所实现的功能，叶轮的主要功能是排水和搅拌， 只需要有一定的强度和韧度，所以采用有机材料加工，在长期与油接触的 过程中会起到抗老化作用，同时避免了装置在水下运行或停止运行与水接 触发生锈蚀，有效的保护装置的使用寿命。 ( 3 ) 管道和储油箱 本装置的主要功能是溢油回收，因此就涉及到油的转移问题，最初的 设想是把储油箱和壳体作成一体( 整体式) ，但考虑到和壳体相连的储油箱 不能做得太大，否则将会增加回收装置的自身重量，并需要人工不断地把 整个装置收回以便清空出油箱。显然，这种方式不利于在海上这种恶劣环 上海海事大学硕+ 学位论文 海上溢油矧收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 境下操作。其次，当储油箱中的油慢慢增加的同时，装置的浮心和稳心位 置也发生变化，导致理想液面的高度变化和装置的不稳定，不利于溢油回 收。作者在溢油回收人工水母试验装置时，最后决定采用分体式装置结构， 所谓分体式就是把储油箱和壳体分开，用耐腐蚀软管直接将回收的油引到 回收船上的大储油箱中，或直接引入回收船的二次净化分离器，与整体式 相比，分体式有许多优点，如节约投入的人工成本，大大减小储油箱对回 收装置的影响，提高了回收效率。 ( 4 ) 中心搅拌轴 由于此回收装置的排水叶轮、搅拌叶轮以及吸油泵的单螺杆同轴，除 配有足够功率的电动机外，两只叶轮需由同一轴连接，采用不锈钢加工， 并具有一定的强度，能适应水下长期工作的环境。 下面表2 1 给出了人工水母部分组成部分( 依次为壳体、搅拌叶轮和 排水叶轮、中心搅拌轴) 所选材料的主要性能参数。 表2 - 1 所选用材料的性能 能密度( g c a 3 热变形温度 拉伸强度l i p a冲击强度 名k 有机玻璃1 1 1 1 91 3 05 0 7 7 一般 耐腐蚀氟橡胶 1 8 1 8 2 3 1 52 0 2 2 一般 l c r l 37 92 0 3 0 0 4 1 0 强 2 2 2 电动机的选用 ( 1 ) 电动机功率估算 1 8 1 对于该装置来说，电动机的负载为泵、搅拌叶轮和排水叶轮( 由于叶轮 伸入水下位置很浅，尺寸也比较小，所以在实验室条件下忽略不计) ，作者 可以用以下的计算公式来粗略估算一下功率值： p k p g q h ( 2 1 ) m o o 聊o 其中：p - 一电动机功率，k r ； 萨一余量系数； 俨一泵的出水量，n 1 3 s ： 俨一扬程，i l l ； r l 一泵的效率； 上海海事大学硕士学位论文海上溢油| 口i 收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 一传动效率，直接传动则r i o = 1 ； p 一液体的密度，堙历3 ，对于水p l o o o 培m 3 ； g - - 重力加速度，g - 9 8 1 m s 2 。 对于装置的流量和扬程，作者大致的取了以下的数据，流量为 q 一2 m 3 h 一2 3 x 1 0 。m 3 s ： 总扬程h 取8 m ： 其他参数： 转速为6 0 0 3 0 0 0 r m i n ； 泵的效率为0 1 ； 液体的密度p - 1 0 0 0 k g l m 3 ； 取余量系数k = 1 7 ，则： p 1 7 x 1 0 0 = 0 = = ：x = _ 9 = 8 - 2 _ 3 x = _ 1 0 - 一x 1 o 3 技取p ：0 3 7 k 霄 ( 2 2 ) ，。1 面石石：石j i i ：石一。u j 填戢，一。k 8 o z z ， ( 2 ) 电动机的确定 对于本模型装置，由于需要在不同转速下观察模型的性能，因而采用 y p 系列变频专用电机，依据功率0 3 7 k w 的需求选择四级电机。经过对电 动机厂家提供产品的调研，最后确定采用上海森力玛传动技术有限公司生 产的y p 系列变频电动机。 2 2 3 中心搅拌轴的轴径估算 轴上要布置的零件有：2 个泵叶轮。对于轴上要安装的叶轮，作者要 考虑到它们的定位问题，而且要装拆方便。叶轮的定位采用螺纹锁紧连接。 ( 1 ) 初步估算轴径 已知所选用的电动机的参数：r l = i 5 0 0 转分，p = 0 3 7 k w 根据下式估算轴径： d c p n 1 i ( i y 4 ) ( 2 3 ) 其中：c 是跟材料有关的值，对于合金钢，c 取值范围为9 8 1 0 6 ，作 者取1 0 6 进行计算；y 为空心轴的内直径与外直径之比( 由于采用的是实心 轴，所以y 一0 ) 。 所以： d 芑1 0 甜0 3 7 1 5 0 0 姐( 1 0 ) 乏6 6 r a m ( 2 - 4 ) 考虑轴的刚性问题，需将其轴径增加4 5 ，故 上毒海事大学磺士学位论文海上溢油圄收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 d 二= 6 6 x 1 0 5 * 7 m m ( 2 5 ) 即所设计的轴的最小轴径要大予7 。 2 2 4 暇油泵的选择 为了使装置的结构更加紧凑。直接使用变频电机带动一个单螺杆泵泵 体。在单螺杆泵的吸油口处使用螺纹与中心搅拌轴连接。经过对单螺杆泵 厂家调研，最后确定采用上海利工泵业生产的r b 2 0 d 型号的单螺杆泵。 以上是人工水母试验装置模型各组成部分的详细结构设计下面图2 2 所示为人工水母装置总体设计的3 d 效果图，图2 - - 3 所示为研制出的 实验室条件下的人工水母试验装置模型 圈2 - 2 人工水母装置总体效果图 圈2 - 3 实验条件下的人工水母试验装置模型 2 3 小结 本章首先简要介绍了溢油回收人工水母基本结构模型在此基础上， 结合实际试验需要，作者研制了实验室条件下的溢油回收人工水母试验装 置主要研制工作包括：人工水母壳体、管道、排水叶轮和搅拌叶轮、中 心搅拌轴，以及电动机和吸油泵的选择等重点设计了人工水母试验装置 动力源系统，通过一根中心搅拌轴将单螺杆泵( 回收溢油) ，搅拌叶轮( 形成 旋涡) 和排水叶轮( 排水) 的动力源统一到一台变频电机上，使试验装置结构 大大简化为下一步的试验研究打下了坚实的基础 上海海事大学颈t 学位论文海上溢油l q 收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 第三章溢油回收人工水母试验装置模型旋涡理论分析 3 1 引言 溢油回收人工水母试验装置设计中采用了旋涡原理，通过在人工水母 壳体内部中心形成旋涡，使浮油在旋涡中心附近聚集、加厚，以便油泵将 浮油回收。因此，人工水母试验装置吸油特性与装置壳体内部形成的旋涡 特性及其参数直接相关，必须进行人工水母试验装置模型的旋涡理论分析。 涡旋就是一种流体微团受到一定的作用力之后绕瞬时轴旋转的现象。 对于旋转流体，比较重要的参数是环量和涡量。环量从整体上描述转动的 快慢和范围的大小；涡量则标志着流体的转动，对转动的分析可以归结为 对环量和涡量的研究【”l 。本章首先将介绍旋涡运动方面的基本知识，然后 在此基础上，对b u r g e r s 涡的数学模型进行重点研究，对人工水母装置模 型的吸油特性的影响因素进行定性分析。 3 2 流体运动的基本方程 由牛顿第二定律，i 坍a ，取六面体的微小系统( 如图3 - 1 ) ，考察在外力 图3 1 六面体系统示意图 作用下该系统产生的加速度，可以导出应力形式的运动微分方程如下： - - 1 4 一，+ 二( v 口 ( 3 - 1 ) p 式中：a 一一质点的随体加速度，也可以理解为惯性力； ，一一质量力； 上海海事大学颈十学位论文 海上溢油回收人工水母装置模型的特征分析与试验研究 ( 劝) 一一作用在单位质量流体上的表面力，p 为流体密度； p 。 v 一一矢量微分算符，v 7 旦+ 了旦+ i 旦； 盯一一应力张量，盯。【芝蓦蔓】【吃吒j ：。孥芦i v p + i v ( a e ) + 三v ( 2 胛) ( 3 2 ) d t p pp 式中：p 一压强5 e 应变速率张量，勺可1 瓦s u t + 孥，气_ v 二； 4 ，v ，p 的意义同上5 对于斯托克斯流体，a + 吾一o ；如果，l