（轮机工程专业论文）破舱船舶溢油过程实验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 破舱船舶溢油事故现已成为破坏海洋生态及沿岸环境的重要污染源之一， 对油船液货泄漏理化性质研究尚不成熟，急需一种根据破舱油船液货泄漏原理 能够动态计算破舱油船液货泄漏行为的预测模型，并在此基础上开发实用的泄 漏控制原理，从溢油“防止和“控制 两个方面同时着眼，以期全面减少海 上溢油风险及其造成的危害。为此，本文对破舱油船液货泄漏原理做了一系列 的研究，主要从以下几个方面进行了探讨： 首先，根据流体静力学原理，在伯努利方程的指导思想下，通过分析物理 过程，对研究对象进行了合理假设，综合考虑泄漏的位置、破孔面积和破孔高 度等因素对泄漏行为的影响，适当简化后构建油品泄漏的物理模型，然后进行 理论推导，得到理论数据。依据所得到的理论数据，再结合相似准则原理，确 定实验模型的尺寸、结构、破孔位置、破孔面积、破孔轮廓等，之后开始选购 材料，制作实验液货舱室模型。 其次，阐述了五种流体的属性一惯性、压缩性、膨胀性、粘性和表面张力 的基本原理，并简单说明了各种流体属性与液货泄漏实验之间的关系。描述了 几种流体的运动方式，并介绍了小孔出流和薄壁小孔出流的基本原理，以及 m a r p o l 公约中计算溢油量的方法，详细分析了液货舱室泄漏模型的工作原 理，为建立液货舱室泄漏模型的实验模型提供了一定的理论基础。 再次，介绍了实验中需要用到的传感器、智能仪表、通讯协议、压力仪表 监控软件、实验装置布置和流程设计。分别给出了传感器、智能仪表的使用条 件和精度，在符合实验要求的情况下，选用了合适的通讯协议和压力数据监控 软件，并对实验装置进行了精心的布置，设计出实验流程。为获得精准的油品 密度，采用高精度密度仪对其进行测量。为后面的实验提供了准确的数据做出 了适当的保证。 最后，对破舱船舶油品泄漏行为进行了合理简化，用实验数据来分析破孔 直径和破孔高度对液货泄漏速度、泄漏总量和总泄漏时间的影响规律，分别得 到破孔在水线以上和水线以下时液货泄漏速度、泄漏总量和总泄漏时间随破孔 面积和破孔高度的变化规律。其实验结果对提出新的控制方法提供了帮助。 本文主要运用实验方法对破舱船舶溢油事故进行了分析，其分析结果对控 制船舶溢油具有一定的指导意义。 关键词：小孔模型；泄漏速度；泄漏总量；破孑l 直径；破孔位置 本论文研究得到浙江省自然科学基金“破舱油船液货泄漏实时预测及控制技术研究” ( n o 2 1 0 3 7 0 3 0 3 0 9 ) 的资助。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s l l i p p i n go i ls p i nd 锄a g ei so n eo f l em o s ti m p o r t a n tp o l l u t o d s o u e sw m c hd e s 仃o ym 撕n ee c o l o g ) ，锄dc o a s t a l 即啊r 0 i l i i l t ，a n ds t u d yo f p h y s i c a l 锄dc h e m i c a lp r o p e n i 懿o no i ls p i l l1 6 f 0 mt a i l l 【e 瑙i sn o t9 0 0 dc i l o u 曲a p r e d i c t i o nm o d e l w h i c hi sa b l et oc a r r yo u tad ) ，l l 锄i cc a l c u l a t i o nf o ro i ls p i l lf 硒m t 觚k e r sa c c o r d i n gt oo i l l e a l ( a g et h e o r yi su 唱e n t l yn e e d e d b a s e do nn l em o d c l ， p r a c t i c a l 研n c i p l e so f t l l cl e a l ( a g cc o n 缸d ls h o u l db ed e v e l o p e d ，a n do i ls p i l lr i s k 锄d h a z a r dh a v et ob er e d u c e dt o t a l l yt l 们u 矾t h eo i ls p i l l ”p r e v e i l t i n g 锄d ”c o n 缸0 1 m c a s u l 瑚t i l e r e f o r e ，l eo i l l e a k a g et l l e o r ) ri sm l d i e di 1 1 雠sp a p 锄dt l l ef o l l o 谢n g a s p e c t sa r ed i s c u s s e d ： f i r s t l y ap h y s i c a lm o d e lo fo i ls p i l l 丘0 mt a n k e r si sc s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o 埘n c i p l e so fn u i ds t a t i c sa n db 锄1 0 u l l ic q u a t i o n p h y s i c a lp r o c 器s 骼i s 弛a 1 ) ，z e d ， s 协d ) ，i n go b j e c ti sr e a s o n a b l ya s s u m e d ，锄dl e a 虹n gl o c a t i o i l s ，b r o k h o l e 鲫锄d h e i 曲ta r ec o m p 砒e n s i v e l yc o n s i d e r 酣d 1 池gm em o d e le s 组b l i s l l i i l e n tp r o c e s s a r e re s t a b l i s h i n gt h em o d e lm et h e o r e t i c a ld a t ai s a c q u i r e da c c o r d i n gt 0 a m e o r e t i c a l 锄a l y s i s b a s e do nn l et h e o r e t i c a ld a t ao b t a i n e d ，s i z e ，c o n s t m c t i o i l b r o k e nh o l el o c a t i o n sa n dp r o f i l ea r ed e t e 咖i n e db yu s i n gm es i m i l a r i t yt h e o r y a n d t l l e nt a n km o d e l i sm a n u f a c t a da j f t e rp 1 础鹤i n gr e l e v a mm a t e r i a l s s e c o n d l y f i v ep r o p e n i e so ff l u i di n c l u d i n gi i l 鳅i a ，c o m p r e s s i b i l i 坝s w e l l i n v i s c o s i t ya n ds u i f a c et e i l s i o na r ed e s c r i b e d a n dr e l a t i o nb e t w e e nv 撕o u sf l u i d 印p e n i 铭a i l do i ls p i l le x p e m e n ti sb r i e n yd e s 嘶b e d m o v e i i l 酬m 锄0 d so f s e v e r a jn u i d sa r ei l l u s 仃a t e d ，b 弱i c 砸n c i p l e so fo i lo u t f l o w 舶ms m a l lh o l e s 锄d t 量l i n - w a l ls m a l lh o l e sa r ei n 仃d d u c e d ，a n d 廿l ec a l c u l a t e dm e t h o d so ft l l e 锄o u l l to fo i l s p i l l si nm a r p o lc o n v e 而o na r ca l s od e s 嘶b e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fo i l l e a i ( a g em o d e li sa i l a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a ld i f e c t i o nf o re s t a b l i s h i n g e x p 甜m e n t a lm o d e l a n dt h e i l ，s e i l s o r s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e i l t s ，c 0 舢叭m i c a t i o np r o t o c o l ，p r e s s u r e g a u g e s ，m o i l i t o r i n gd e v i c 懿，e q u i p l i l e n tl a y o u ta r l dp r o c e s sd e s i g nn e e d o di l lm e e x p 嘶m e l l ta r ei n 仃o d u c e d c o n d i t i o n so fu s ea 芏l dp r e c i s eo fi n t e l l i g e n ti n s 饥l m e n t s a n ds e n s o r sa r c舀v e nr e s p e “v e l y a p p r o p r i a t ec 0 m m u n i c a t i o np r o t o c o l a 1 1 d p r c s s u r ed a t am o n i t o r i n gs o 脚a r ea r ec h o s e nf o rm e e t i n gt h et e s tr e q u i r e i n e n t s 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 c a f c 彻l a y o u t 斯c x p 丽m 锄t a ld 嘶c ei si m p l 锄饥t c d ，锄de x p 舐m 铋t a lp r o c 舐玎e i sd e s i 孕峨1 h i 曲1 ，r e c i s i o nd o s i m c t 盯i s 印p l i e df 0 r0 b 蛐ga c c 唧l t eo i ld s i 够 砧1w o r kd o n ep r 0 、，i d et l l ea c c 咄n ed a t af o r 吼l b s e q u e me x p 酬妇e i l t s f i n a l l y o i ls p i l l s6 o mt a n k e ri sr e a s o n a b l ys i m p l i 6 c d ，a i l dt h ec x p 耐m e n t a l d a t ai su s e dt 0a 1 1 a l y z et h ep r i n c i p l et l l a tb r o k e i lh o l e sd i 锄e t e r 锄dh e i g h th o wt 0 i n n u e i l c eo i ls p i l l ss p e e d ，a m o u n ta n dt i i n e t h i sp r i n c i p l ei so b t a i n e du n d e rt l l e c o n d i t i o n st h a tb r o k e i lh o l e sa r eu n d e ro ra b o v ew a 衙s w f a c e t h ee x p 甜m 锄t a l r e s u l t sp r o v i d ea s s i s t a i l c e sf o rn c wo i ls p i l l sc o n n d lm e t h o d s e x p 谢m e l l t a lm e t h o d si sm a i n l ya p p l i e dt 0 狮a l y z eo i ls p i l l sf b m t a l l l ( e ri n “s p a p n l ea n a l y s i sr e s u l t sp l a ya l li m p o n a n tp a ni nc o n 昀1 1 i n go i ls p i l l s 舶m t a l l l 【瓯 k e yw o r d s ：o s t i o l em o d e l ；o i ll e a k a g er a t e ；m et o t a lv o l u m eo fo i ll e a k a g e ；h o l e d i a m e t e r ：l o c a t i o no fm eh o l e p r o j e c t2 1 0 3 7 0 3 0 3 0 9s u p p o r t e db yp s f c n i 独创性声明 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及 取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：当聋日期：塑2 1 ：竺：丝 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：耋 专导师( 签名) ：五棚期 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 本章主要阐述了破舱油船液货泄漏行为实时预测及控制技术研究的课题背 景和研究意义，介绍了船舶溢的国内外研究现状和目前存在的问题，破舱油船 液货泄漏行为预测和控制技术的工作原理，综述了国内外相关工作的研究进展， 指出了其中的问题，最后提出了本文的研究工作。 1 1 课题研究背景及意义 海上运输是世界各国人民经济、文化交流的重要手段，随着工业技术极大 的发展以及人口飞速的增长，海上运货量逐年大幅度增长，世界船舶总吨位和 尺度也不断增加。船舶在通常的营运过程中，不可避免地直接或间接把一些物 质或能量引入海洋环境，以致于产生损害生物资源，危及人类健康，妨碍包括 渔业活动在内的各种海洋活动，破坏海水的使用素质和舒适程度的有害影响， 即造成海洋污染。船舶航运过程对海洋造成污染的主要物质有：石油，散装运 输的非石油有毒液体物质( 简称散装有毒液体物质) ，包装有害物质，生活污水， 船舶垃圾等【l 】。 1 1 1 课题研究背景 近年来，逐年增多的船舶溢油事故，对海洋环境和世界经济都造成了巨大 的损失，据相关统计，世界上海洋环境受到污染，所有污染物中由船舶造成的 占3 5 ，其中自油船海损事故而来的污染物占了1 2 ，可见，油船所造成的污 染己成为海洋的主要污染源之一【2 】，海上溢油事故已逐渐成为一项重大的环境 问题和社会问题。 目前仍在运营的单壳油船、没有动力的油驳，在碰撞和搁浅事故中存在非 常大的油品泄漏概率，这也是海上溢油的风险源之一。一旦发生海上溢油事故， 造成的损失将是相当巨大的。海上溢油事故会造成海洋生态环境的严重破坏， 如水生植物腐烂，海鸟因生存环境的破坏而死亡、鱼虾贝类因中毒而死亡、海 上渔具遭受油液污染而损坏、渔场和养殖场也因油污染而受到严重的破坏。如 果海上的溢油漂移到海岸边上，将会造成海岸设施、海滨风景区、海边浴场等 武汉理工大学硕士学位论文 遭受严重的污染和损害。溢油若得不到及时处理，还可能引发大型火灾，这也 对船舶和海上设施的安全构成了严重的威胁【3 可】 下面举个例子来详细说明溢油事故所造成的危害有多严重。1 9 8 9 年3 月， “埃克逊一瓦尔德兹 号油轮溢油事故善后工作中所涉及的清污费、污染损害 赔偿费和罚款等费用总计高达8 0 亿美元【2 1 。可见，溢油事故所造成的危害之大 令人感到十分震惊。 据英国一份调查报告表明，自2 0 世纪7 0 年代以来，全世界平均每周发生 两起油船失事事件。而依据我国近2 9 年来沿海船舶、港口溢油5 0t 以上的事 故统计，1 9 9 3 2 0 0 2 年这1 0 年间，沿海地区总溢油量1 l8 6 1 t ，其中，油轮总溢 油量9 6 9 8t ，货轮总溢油量为2 0 6 3t ，其他如渔船等总溢油量1 0 0t 。这一系列 溢油事故不仅对我国的油运业是一个重大地打击，同时也严重恶化了我国沿海 的海洋生态环境【8 】。因此，防治海洋溢油污染，并最大限度地减轻或消除溢油 事故的危害是一件刻不容缓的大事。 不断发生的海上重大溢油事故，也引起人们的极大重视。在过去的三十多 年里，国际海事组织及各国海事部门共同颁布了多条船舶管理公约和法规，从 这一点上，也可以看出国际海事部门和各国政府要防治海上船舶溢油事故的决 心。 1 9 8 9 年3 月2 4 日，美斟1 】发生了有史以来最严重的溢油事故，在阿拉斯加 威廉王子湾一艘油轮因触礁而引发了非常严重的溢油事故，当时，天气状况恶 劣，由于海上突发事故应急措施还不够完善，应急反应相对迟缓，再加上决策 失误，最终导致了海事部门延误了最好的救援时机，从而对当地海洋环境造成 一场特大的灾难。伴随着灾难而来的是给予人们的众多启示，面对这次重大灾 害，美国终于意识到，当前的抗溢油应急体系还不健全，需要充分利用尖端高 技来建立一套完善的海上溢油事故应急系统，以应付未来可能发生的突发性海 上重大溢油事故。为此，美国政府耗资数亿美元成立了海上溢油应急公司，同 年，还颁布了9 0 海上油船管理公约，从多角度应对海上应急突发的溢油事 件。 为了防止船舶结构破损而发生的溢油事故，国际海事组织( 简称i m o ) 于 1 9 9 1 年修正了“经1 9 7 8 年议定书修订的1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约( 简 称m a r p o l 7 3 7 8 公约) ，公约规定6 0 0t 以上的油船有义务具备双层外板， 可采用与其功能相同的结构( 目前指中间甲板) ，该条约适用于1 9 9 3 年以后签 订的合同或1 9 9 6 年7 月以后建造完成的油船【9 j 。1 9 9 2 年，i m o 海上环境保护 2 武汉理工大学硕士学位论文 委员会第三十二届会议，以m e p c 5 2 ( 3 2 ) 号决议，通过了m a r p o l 7 3 7 8 附则i 新条款，增加1 3 f 条“防止在碰撞或搁浅事故中的油污染一和1 3 g 条“防止现 有油船在碰撞或搁浅事故中的油污染措施”，并采用默认程序接受，于1 9 9 3 年 7 月6 日生效【l j 。 在国际上发布防止海上船舶溢油事故公约的同时，我国也逐渐意识到破舱 油船对海洋生态和沿岸环境所造成的损害是多么的巨大。遂在今后一段时间里 先后公布了多部防止船舶及有关作业活动污染海洋环境的法规，如船上油污 应急计划、中华人民共和国海洋环境保护法、中华人民共和国防止船舶污 染海域管理条例、中华人民共和国海洋倾废管理条例等，并在沿海和内河 的港口建立了船舶海上溢油事故的应急系统，不断完善海上溢油应急措施，以 防海上重大溢油事故的发生【1 1 【8 】【1 0 1 。 我国作为一个原油进口大国，在国家的石油安全储备战略下，海上原油运 输是原油进口的主要输运方式【l l 】，因此，油船运营的安全问题已日益突显。近 年来，浙江省的海云业逐渐发展起来，石油的运输量f 飞速上涨，尤其是在我 国实施石油储备战略的背景下，四个国家石油战略储备基地【1 2 】中已有2 个分别 落户于浙江省舟山市的岙山和宁波市的镇海，因此，未来几年间，将会有大量 的原油通过海上运输的方式，进入到浙江省的液货码头和储备油库，这也使得 浙江省沿海水域和石油终端将面i 临着巨大的油气储运风险【l3 1 。显然，在运输的 过程中，如何降低海上油气运输风险将是石油储备战略的关键技术之一。 油船在航行途中会因触礁、碰撞和搁浅等意外情况而遇难，而引发这些意 外情况的因素有很多，概率也很大【1 4 1 。因此，船舶海上溢油是石油海运过程中 的一大风险。油船失事所造成的海上溢油事故接连不断，所载石油全部或一部 分流入海洋，这是目前人们最关心并研究得最多的海洋油污染来源。海洋环境 正面临着严重的污染风险，伴随着航运业的迅猛发展，也使得这种污染风险正 在逐步加剧。人们开始认识到海上油品泄漏的多重危害，世界各国海事部门和 环保机构已经投入了大量的人力和物力开展了许多卓有成效的工作。 目前，国内外的研究主要集中在溢油事故发生后油品扩散的范围、流向， 评估溢油所造成的危害，以及如何处理溢出到海面上的油品和恢复被污染过的 海洋生态环境等方面上，对破舱油船液货泄漏行为机理研究相对较少，而该方 面的研究对于减少船舶破舱后油品泄漏具有重要意义。只有研究液货泄漏行为 本身，把研究重点放在防止溢油上，这样才能使海上溢油事故损失降到最低。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究意义 现在研究的重点是海上溢油的理化行为，有关溢油模型，主要利用液货泄 漏总量来描述溢油源强，若缺乏动态源强模型来描述泄漏源的行为特征，显然 预测海上溢油行为的精度不会很高，这对于做出准确的应急决策非常不利。 目前，在研究油船的泄漏行为方面，还没有精确的模型来描述破损油船的 泄漏过程，无法为海面油品扩散方面研究提供详细而精准的动态点源特征【l 5 1 ， 从而无法提高海上溢油运动轨迹的预测精度，因此，急需一种根据破舱油船液 货泄漏原理能够动态计算船舶海上溢油的理化行为的预测模型，并在此基础上 研发出实用的液货泄漏控制理论，为减少破舱事故中的油品泄漏理化行为提供 必要的理论基础。从溢油“防止和“控制”两方面同时着眼，以期全面减少 海上溢油风险及其造成的危害i l6 j 。 随着油船溢油事故造成的影响和损失的日益扩大，人们开始意识到液货泄 漏行为方面的研究对于减少船舶溢油行为具有的重要意义，这方面的研究必将 越来越受到各国的科技人员的重视，必定会有越来越多的专项资金和高科技人 才投入到这项研究上来。 该项研究可有效降低液货泄漏速度，减少液货泄漏总量，也可以为海面油 品物理化学行为的预测提供详细的动态源强特征，提高海上溢油理化行为预测 模型的精确度和风险评估能力【1 7 l ，若发生突发性的油船破舱溢油事故，将有利 于做出科学的应急处理决策，从而产生良好的经济效益和社会效益，对于减少 油船海难液货泄漏事故的经济损失和海洋环境损害有着非常重要的战略价值和 现实意义l i 引。 该项研究可以建立建立破舱船舶油品泄漏行为数学模型，并提出控制油品 泄漏的技术方案【1 睨1 1 ，在以下三个方面将产生重要作用： 在破舱船舶溢油事故中，为减少油品泄漏量的应急行动提供理论指导。 根据破舱船舶油品泄漏行为的数学模型，可以动态描述泄漏行为，具体 为动态描述液货泄漏速度、泄漏总量和总泄漏时间。可以为海面油品理化行为 预测提供了详细的动态源强特征，提高海上溢油行为预测的准确度，从而降低 油船液货泄漏事故已造成的或可能造成的经济损失和环境损害。 可应用于船舶设计当中，为船型和油舱结构在防止泄漏和控制泄漏方面 的优化提供理论依据。 破舱船舶液货泄漏控制技术具备减少油品泄漏风险的功能，可以为船舶设 4 武汉理工大学硕士学位论文 计单位和航运企业带来良好的经济效益和社会效益，具备广泛的推广价值【2 2 1 。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 目前，随着油船碰撞、搁浅等海上突发事件造成的海上溢油事故的逐年增 多，已引起人们的高度重视，各国开始在该领域立项，越来越多的高科技人才 和专项资金投入到油船液货泄漏项目中来，目前国外对于船舶破舱溢油事故中 液货泄漏行为机理研究不是很多，国内在该方向的研究几乎是空白【2 3 】。 1 2 1 研究现状 由于船舶海上液货泄漏行为的环境污染风险和研究成本庞大的缘故，所以， 很少有人直接做实船测试和试验，多数人还是采用模拟海洋环境下的模型实验 这种替代方法来开展研搿2 ”7 1 。随着计算机仿真技术的日益发展和计算流体力 学软件应用范围的逐步扩大，以及测量技术和方法的不断创新，对于海上液货 泄漏这种存在重大风险性的理化行为研究，目前的研究方式大多采用模型研究 和数值模拟相结合的方法来开展，直至理论成熟为止，才会在此基础上采用实 船验证来完善技术开发。 1 9 9 9 年，v m f t h e n a l ( i s 等【2 8 】研究了驳船由船体运动和液面波动引起重力 和压力变化的水下破孔溢油模型，由于液压不同，预测模型会随着实验情况而 改变。最后，该模型被用到实船溢油中。 2 0 0 0 年，t e t s u os a g a 等【2 9 】在日本矩形水槽中在自诱导式晃动下研究了流 线谱和漩涡结构。发现在同样的系统设定参数下测试水槽中有三种不同流线谱， 分别是反向漩涡流线谱、首次晃动流线谱和二次晃动流线谱。 2 0 0 3 年，j a f a y 【5 】分析了货物流体与船舶外海水之间的流体静力学压力总 会达到平衡状态，以此推断出泄漏量、泄漏持续时间和火灾燃烧时间均是破孔 直径和破孔位置的函数。同时指出了泄漏量、泄漏持续时间与舱内压力存在一 定关系，却没有着重研究破孔直径、破孔高度等因素对船舶液货泄漏速度、漏 泄总量和总泄漏时间的影响方面，并给出具体的关系。而且很多研究还停留在 理论或模拟上，与实际情况还存在较大差别。 2 0 0 6 年，j o h nm i c h a e lp y i e s 【3 0 】在2 1 m 3 矩形水槽中采用运动模型和流体动力 学对低频率、小振幅振荡进行了二维实验，水深分别为o 2 6 5 m 、0 3 7 l m 和0 5 3 m ， 二维摇晃振荡频率在0 2 5h z 到0 4 5h z 之间，振幅分别为2 4 2 0 、3 5 0 和4 7 l o ， 5 武汉理工大学硕士学位论文 在水槽振荡共振频率附近观察到液压跳，水槽也随之振动，在水槽内液面以上 空间的特定区域，互相作用的波会引起喷射。 2 0 0 7 年，许颖等【2 】提出破舱位置、形状大小等物理参数对船舶溢油量有一 定的影响。当船舶发生事故时，由于海面压力和油舱液面压力差，油舱内的油 以一定速度开始溢出，导致了海面压力和舱内液面压力变化，两个新的压力差 又会导致溢油量在下一时刻发生新的变化，如此往复。应用流体力学计算软件 n u e n t ，模拟出油舱内的油在静止海面上、在j 下弦波作用下有风海面上的溢油过 程，计算出破损油船的溢油量，并做了二维的实验进行了验证。 2 0 0 8 年，z c h e l l 等【3 l 】在加拿大研究了海上溢油行为和油滴形成的数字模 型，具体来说，检验合适的模型，量化油滴形成和后面的混合、汇聚所需的能 量，波动能量耗散率是控制溢油的临界参数，包括油滴粒径分布、分散、凝聚、 离散和聚合。考虑四个影响能量耗散率参数，选择一个参数详细研究油滴动力 学，包括相关混合和运输。 2 0 0 8 年，g i e lf 、r 觚d ew i e l 等【1 4 】对油轮碰撞及搁浅溢油量概率性模型进 行了研究，基于仿真数据，开发一种油船在碰撞或搁浅事故下溢油量模型的新 方法，并提出单层底和双层底油船的特殊设计。 2 0 0 9 年，g i e lv a i ld ew i e l j 等【3 2 】在美国丌发了油船在碰撞和搁浅事故油 溢出模型，碰撞模型可明确连接输入变量如油船船体设计( 单层底或双层底) ， 排水量，速度，碰撞后船舶排水量和速度，把两船接触角度放到输出变量，如 油船纵向和横向破损程度。堆叠船舶设计货柜的破损程度，通过计算破损货柜 隔间的容量可以计算出溢油量。 理论研究上，s 锄眦e l i d e s 等【3 3 】利用船舶碰撞所产生的能量来估计破舱情况 以及相应的液货泄漏量，主要从能量守恒的角度对碰撞破损情况进行预测，从 而进一步为溢油量估算提供一种理论参考。目前研究海上液货泄漏行为主要有 四种模型，其理论模型多数根据流体静力学原理，基础原理都基本相似，就是 在泄漏时间大小上有些区别。 在控制技术开发方面，可利用真空泵来构造正负压连续控制系统【3 4 1 ，根据 仿真和试验结果显示，基于真空泵的正负压连续控制系统具有良好的静态和动 态特性，该理论和数学模型已非常成熟，可用于破舱船舶的溢油控制系统。而 根据舱压可控性【3 5 】的特点，再结合封闭空间内蒸气压的变化特征可建立单壳油 舱在事故状态下油船液货泄漏模型，在计算机平台上动态仿真估算三种不同余 隙空问压力条件下的油品泄漏行为，并采用模型实验研究方法验证诸多因素对 6 武汉理工大学硕士学位论文 泄漏行为的影响。美国m h 研究团队【3 6 1 经历l o 年时间投入1 0 0 万美元研究经 费已经开发出一套油船液货舱低压控制系统( a u p s ) 。 1 2 2 存在的问题 通过前期的研究，我们已经发现了一些问题。如学界现有的几种预测模型 【3 7 】理论基础基本相似，都是依据流体静力学原理，从宏观角度看待油船液货泄 漏行为，按照小孔泄漏原理，采用一维模型来描述液货动态泄漏，即以破孔两 侧的压力差作为液货泄漏行为的动力，油品泄漏行为一直持续到压力差消失才 结束。其中的理论模型只考虑了压力差对液货泄漏行为的影响，却忽略了液货 与海水因密度差而发生的两种流体置换过程，因而存在明显的应用范围局限性， 无法应用到实际情况中最容易发生的大面积破舱油船液货泄漏这种严重状况。 此外，也没有口岸旅液货粘度等因素对船舶溢油过程的影响。显然，在实际情 况中，不能全面而准确地估算破舱溢油行为，那么，按照上述原理提出的液货 泄漏控制技术自然存在一定的先天上的缺陷。 国内外科研人员把目光主要聚焦在溢泊随着风流、海流漂移的区域，溢油 在海面上受到蒸发、乳化、凝聚等物理化学方面【7 1 ，以及海上溢油对海洋和沿 岸周边环境中的动植物生存状态的影响等研究上【3 】，并未对溢油过程本身做过 多的研究。有些机构把研究重点放在风海流对船舶溢油过程的影响，这是一个 很重要的研究方向。 虽然国内相关科研人员对二维的船舶溢油过程【2 】做过一些仿真和实验研 究，但还远远不够解释船舶海上溢油的真实情况，需要对船舶海上液货泄漏行 为做多工况实验来分析船舶海上液货泄漏机理，从而更全面的给出破舱油船液 货泄漏的理论依据。 1 3 课题研究的内容 船舶液货泄漏全过程是一项非常有意义的研究，该项研究成果有利于油船 破舱事故的应急决策，从而减少液货泄漏事故对海洋环境的污染，对海洋生态 和沿岸周边环境都有着重要的战略意义和现实价值。 拟针对破舱油船采用多相流理论来描述海洋环境中海水和原油在船舶液货 舱壁附近的耦合运动行为：研究液货舱结构、液货的物理性质和多种破舱情况 等因素对液货泄漏速度、泄漏总量和总泄漏时间的影响规律，总结出液货泄漏 7 武汉理工大学硕士学位论文 行为的机理模型，并利用该数学模型为破舱油船的液货泄漏控制方法提供一定 的理论依据，在实现液货泄漏行为可预测和可控制的基础上，尝试开发出适合 于实船应用的液货泄漏控制技术。 图1 1 实验中液货舱室立体图 首先，根据流体静力学原理，在伯努利方程的指导思想下，通过分析破舱 油船液货泄漏行为的物理过程，对研究对象进行合理的假设，尽可能的研究多 种情况下液货泄漏动态行为。综合考虑液货泄漏的位置、破孔面积和破孑l 位置 等因素对船舶溢油行为的影响，对实验模型做适当简化后构建液货泄漏行为的 物理模型，采用模型实验方法。根据液货泄漏的位置不同，实验方案分为水面 以上和水面以下两种泄漏类型来处理，同时考虑由于船舶溢油行为导致油船液 货舱内的气压变化等实际情况( 暂不考虑货油的蒸发) ，探索破孔面积和破孔位 置等影响因素对液货泄漏行为的影响规律。从理论上推导出液货泄漏行为的机 理。 然后，依据液货泄漏行为的机理，计算出船舶溢油过程中各种影响因素对 液货泄漏速度、泄漏总量、泄漏总时间的影响曲线，从理论上得到数据。再结 合相似准则原理，确定实验模型的结构、尺寸、破孔轮廓、破孔位置、破孔面 积等，然后选购材料，制作船舶液货泄漏过程实验模型，如图1 1 所示。在此 过程中，因考虑到模型实验的成本和实验条件的局限性，同时采用数值模拟仿 真的方法来模拟破舱时货油泄漏过程的微观行为，以此作为实验研究的有机补 充。利用该实验模型进行初始实验，从中找出模型存在的问题并进行及时改进。 详细流程如图1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 油品泄漏行 为数学模型 液货舱室 实验模型 液货舱室 溢油实验 传感器的 布点方式 溢油泄漏行 为数值仿真 控制油品泄 漏技术方案 图1 2 船舶液货泄漏实验技术路线图 最后，在研究多种工况下液货泄漏动态行为的基础上，针对不同破舱情况， 根据船舶溢油过程的规律，提出尽可能有效的泄漏控制方案，并采用模型实验 来验证控制效果，拟采用的技术方案主要有动态负压控制，利用油船现有的惰 性气体设备来增加液货舱的舱压。根据液货泄漏过程的规律，以及油船现有可 利用的设备来开发设计自动控制液货舱舱压的船舶液货泄漏控制系统。 1 4 本文主要工作 本文主要根据流体静力学原理和伯努利方程来推导液货泄漏行为的数学模 型，对实验模型进行合理假设后，根据所得的理论数据，结合相似准则原理， 构建船舶溢油过程的实验模型，考虑到模型试验的成本和条件的局限性，同时 采用数值仿真的方法来模拟破舱船舶溢油过程的微观行为来作为实验研究的有 机补充。最终，提出船舶溢油的控制技术，找到控制溢油过程的有效方法。 全文共分为五章，其主要内容和结构如下： 第一章阐述了课题的背景及意义、国内外研究现状及不足之处、课题研究 的内容和本文的主要工作。 第二章描述了船舶液货泄漏的相关理论，其中包括流体的属性，流体运动 的方式和伯努利方程的应用，以及溢油量的计算方法。 第三章介绍了船舶液货舱室泄漏实验中所用到的设备和仪器的布置，主要 包括实验模型中所需的传感器、智能仪表、信号传输协议、压力仪表监控软件、 实验仪表的布置和油密度测量方法。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第四章提出了实验条件假设，设计了实验流程，分析了实验数据，其中， 水上破孔实验数据分析主要包括液货泄漏速度、总泄漏量和泄漏总时间随各个 参数的变化规律，以及水上破孔的微观流线图；水下破孔实验数据分析主要包 括液货水下破孔泄漏模型的推导，解释船舶溢油过程中的一些现象，并利用流 体力学软件n u e n t ，对有关现象进行了对比，液货泄漏速度、总泄漏量和泄漏总 时间随各个参数的变化规律，从而得出最终的结论，在此基础上，提到了一些 国内外现有的控制船舶溢油的方法和措施，还提出了些控制船舶溢油的可行 性假设。 第五章总结船舶溢油过程的规律，并指出该项目下一步要进行研究的方向。 j 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章液货泄漏相关理论 船舶液货泄漏过程是一个涉及流体力学、光学、化学等多学科专业知识的 交叉研究，其中，以流体力学为研究的重点。在此，本章主要介绍与流体力学 相关的知识和理论：流体的属性、流体运动的描述、伯努利方程的应用。在研 究过程中，为制造液货舱室的泄露模型提出了几何相似理论，还借鉴了 m a i 心o l 公约附则中事故性溢油的计算方法，为破舱船舶海上溢油过程实验研 究提供感性认识和理论基础。 2 1 流体的属- l 生 流体的属性有很多种，这里，我们主要介绍跟油品相关的一些流体属性。 2 1 1 惯性 流体在不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性称为惯性。惯性与质 量有关，质量越大，惯性就越大。单位体积流体的质量称为密度，用p 来表示， 单位为k 咖3 。对于质量均匀分布的流体，设其体积为n 质量为小，则其密度 为 p 2 矿 对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积矿， ，l ，则该点密度用极限方式可表示为 p 2 概万 聊 2 1 2 压缩性 作用在流体上的压力变化可引起流体的密度变化或体积变化， 为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩率后来衡量。 七：一坐坐：垡咝 印勿 式中：p 为外部压强。 ( 2 - 1 ) 其中质量 ( 2 - 2 ) 这一现象称 ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 在研究流体流动过程中，如果要考虑到流体的压缩性，则流动称为可压缩 流动，相应的流体称为可压缩流体，如高速流动的气体。若不考虑流体的压缩 性，则称为不可压缩流动，相应地称流体为不可压缩流体，如水、油等。 2 1 3 膨胀性 当温度变化时，流体改变其体积( 或密度) 的属性称为膨胀性，流体的膨 胀性常以温度膨胀系数表示，它是温度升高1 ( 压力不变) 流体体积的相 对变化值，即 = 古等一吉券 c 2 q 通常在工程上对水这一类的液体，既不考虑其可压缩性，也不计其膨胀性， 认为液体的密度恒为常数。 2 1 4 粘性 当流体质点之间发生相对运动时产生切向阻力的性质称为流体的粘性 ( v i s c o s i t y ) 。粘性大小可由粘度来量度。 粘性形成流体层与层之间的内摩擦力，称为粘性内摩擦力。流体的粘度是 由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。当流体微团与微团之间或层 与层之间要产生相对运动时，必然会破坏原来的平衡状态，引起相邻分子间距 的加大，致使分子间的吸引力明显表现出来。同时，流体分子总是在不规则运 动，当流体总体运动时，必有一定数量的分子在层与层之间跳跃迁移，引起动 量交换，这种动量的交换也形成分子彼此牵制作用力。上述两种力的宏观表现 即为流体的粘性内摩擦力。 流体内摩擦阻力的大小与速度u 成正比，与接触面积么成正比，而与两板 问的距离 成反比，即 f = 朋u 办( 2 5 ) 式中称为流体的动力粘性系数，它是一个常数，其大小与流体的种类及 其温度和压力有关。单位面积上的切向阻力称为切向应力，用f 表示 f ：冬： ( 2 6 ) f = 一= u ，l l z o ) 彳 、7 式中啪表示在垂直于流速方向上的速度梯度。 流体粘性的产生是与流体分子之问的相互吸引力和分子不规则运动的动量 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 交换有关。粘度有动力粘度和运动粘度，之分。动力粘度由牛顿内摩擦定律可 以导出： f = 掣 ( 2 7 ) 砂 式中：f 为切向应力，单位为忍；为流体的动力粘度系数，单位忍j ： 咖砂为流体的剪切变形速率。 运动粘度与动力粘度的关系为 1 ，：丝 ( 2 8 ) p 式中：y 为运动粘度，单位为聊2 5 。 在研究流体流动过程中，若考虑流体的粘性时，称为粘性流动，相应的流 体称为粘性流体；当不考虑流体的粘性时，称为理想流体的流动，相应的流体 称为理想流体。所有实际流体都是具有粘性的。 根据流体是否满足牛顿内摩擦定律，将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体严格满足牛顿内摩擦定律且保持为常数。非牛顿流体的切应力与速 度梯度不成j 下比，一般又分为塑性流体、假塑性流体、胀塑性流体3 种。 塑性流体，有一个保持不产生剪切变形的初始应力，只有克服了这个初 始应力后，其切应力才与速度梯度成j 下比，即： f = + 譬 ( 2 9 ) 缈 假塑性流体，其切应力与速度梯度的关系是： 斟 胀塑性流体，其切应力与速度梯度的关系是： 斟c ( 以 1 )( 2 - 1 1 ) 流体的粘度与压强的关系不大，而与温度的关系密切。 2 1 5 表面张力 在液体表面，界面上液体间的相互作用力称为张力。液面上的分子受液体 内部分子吸引而使液面趋于收缩，表现为液面任何两部分之间具有拉应力，称 为表面张力。其方向和液面相切，并与两部分的分界线相垂直。正是这种力的 武汉理工大学硕士学位论文 存在，会引起弯曲液面内外出现压强差以及常见的毛细现象等 试验表明，表面张力大小与液面的截线长度三成正比，即 r = 以 ( 2 - 1 2 ) 式中：仃为表面张力系数，单位为n m 。它表示液面上单位长度截线上的 表面张力，其大小由物质种类决定。 常温下表面张力的数值很小，故除一些特殊问题外( 如雾化、气泡、水力 模型中毛细波、毛细管等等) ，大多数工程上的流动问题，液体的表面张力常常 可忽略，不加考虑。 2 2 流体运动的描述 流体的运动形式有很多种，针对船舶溢油的情况，又分为很多情况，在这 里介绍一下与船舶液货泄漏行为相关的理论，为后面的实验做一定的铺垫。 2 1 1 定常流动与非定常流动 根据流体流动过程以及流动过程中流体的物理参数是否与时间相关，将流 动分为定常流动与非定常流动。 在流场中任意固定空间点处，所有物理量均不随时问而变化的流动，称为 定常流动( s t e a d yf l o w ) 。相反，如果在流场某点处有物理量随时间变化则称为 非定常流动( u n s t e a d yf l o w ) 。 当我们分析某种流动时，如果这种流动的参量随时问变化很慢，那么在较 短时间内研究这种流动就可以近似地作为定常流动来处理，这种情况也称为准 定常流动。 确定流动时定常流还是非定常流也与坐标系的选择有关。坐标系选择不同， 非定常流可转化为定常流。通过坐标系的选择将非定常流转化为定常流可使流 动研究简化。 2 1 2 层流与紊流 流体