（轮机工程专业论文）网栅结构围油栏拦油特性数值模拟.pdf

产 t1一if ? ： j 一 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no no i lb l o c k i n gp r o n e t g a t e0 i lb o o m s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a h a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h e m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y s u nt i a n h u ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：g a oh o n g t a o j u n e2 0 1 1 一 一 、，口， 撰写 引用 式标 公开 学位论文作者签名：五，甚：知 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“寸，) 论文储签名厶、蒜知导师徘刎7 1 日期：咖1 年c ，月砑日 、i， 、rj ， 正在不断的发展和壮大。然而随着海上船舶和设施的不断增多，由此所带来的弊 端也日益凸显，由大量船舶、海上石油钻井平台等海上设施所造成的海上溢油事 故也屡屡发生。目前溢油污染已经成为全球海洋污染中倍受关注的焦点之一。因 此，对于加强海上溢油事故的预防和溢油后处理工作方面的研究就显得尤为重 要。而围油栏可以有效控制溢油扩散、减缩溢油区域面积，是防止溢油扩散、配 合回收溢油的有力工具，对于一旦发生海上溢油事故后，对减小溢油对环境和生 态造成的影响起到了不可估量的作用，因此关于加强对各种高性能围油栏的研制 和研究成为防止海洋污染工作的重要课题。 本文所完成的主要工作如下：建立了数值波浪水池，采用推板造波法模拟了 数值波浪，又通过多孔介质法对波浪进行消波处理，分析了造波板运动周期与冲 程对围油栏所在区域流场特性的影响。考虑实际环境因素的影响，进行了多相流 ( 气液液) 的数值模拟。 关于外界环境因素的影响，分别考虑了风速、水流速度、溢油品质、造波板 周期、造波板冲程等因素对围油栏拦油特性的影响。应用数值模拟计算，研究不 同尺寸、结构参数的围油栏的拦油效果，分析拦油失效发生的条件和原因，以及 如何最大限度地避免拦油失效的发生，并模拟出风浪共同作用下围油栏的拦油效 果。 具体分析研究了网栅结构围油栏在围控溢油过程中围油栏高度、底网长度、 拦网孔隙率等对拦油效果的影响。结果发现本文分所分析的几种参数结构的网 栅结构围油栏适用于2 级海况，风速不超过3 r n s ，水流速度最高为0 3 m s ，随 着水流速度的提高围油栏上部在波浪的作用下更容易发生拦油失效。同时发现在 围油栏实际适用过程中，最大程度的使围油栏本体与溢油直接接触一定程度上能 够提高拦油效果。 关键词：围油栏；数值造波；多相流；v o f 方法 一 -ipi-f s p i l l i n g a c c o r d i n g l y , i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt os t r e n g t h e nt h ep r e v e n t i o na n d p o s t - p r o c e s s i n gw o r ka g a i n s tm a r i n eo i ls p i l l i n g o i lb o o m sa l eu s u a l l yu s e dt o p r e v e n td i f f u s i o n , r e c y c l eo i ls p i l l e da ts e a i tp l a y si n e s t i m a b l er o l ee s p e c i a l l yi nt h e r e c o v e r ya n dd i s p o s i t i o no ft h em a r i n eo i ls p i l l i n gp r o c e s s ，a sr e d u c i n gt h ei m p a c to n e n v i r o n m e n ta n de c o l o g y t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ：1 ) e s t a b l i s h i n gn u m e r i c a lw a v e p o o l ；2 ) w a v em a k i n gw i t ht h em e t h o do fp u s h i n gb o a r d ；3 ) w a v ec u t t i n gw i t hp o r o u s m e t h o d ；4 ) a n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wa r e an e a r b yo i lb o o mw i t hb o a r d s p e r i o d i cm o t i o na n ds t r o k e s ，t h ev e l o c i t yo fw a t e ra n dw i n d ，t h eo i lp r o p e r t i e s ，e r e a l s ot h em u l t i - - p h a s e ( g a s - l i q u i d - l i q u i d ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nd o n ei n o r d e rt os i m u l a t et h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，w h i c hi n c l u d i n gt h ev e l o c i t y o fw i n da n dw a t e r , p r o p e r t i e so fo i l ，m o v ec y c l ea n ds t r o k e so ft h eb o a r d ，e t c s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ec o n s i d e r e di nn u m e r i c a ls i m u l a t e dt of m dt h e i ri n f l u e n c eo n o i lb l o c k i n g t h ef a i l u r ec o n d i t i o na n dc a u s a t i o na r ea n a l y z e d s o m es u g g e s t i o n sa r e g i v e nt oi m p r o v ec r i t i c a lf a i l u r er a t e s p e c i f i cr e s e a r c h e sa l ec o n d u c t e do nt h en e t g a t eo i lb o o m si nt h ep r o c e s so f c o n t r o l l i n gs p i l l e do i lw i t l ld i f f e r e n to i lb o o mh e i g h t ，b o t t o mn e tl e n g t h , a n dt h e p o r o s i t y o fb l o c k t ob ec l o s e rt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so fe n v i r o n m e n t , t h e h y d r o l o g i c a la n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h eo i ls p i l la r e aa l ec o n s i d e r e di n s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：o i lb o o m ；n u m e r i c a lw a v e ；m u l f i p h a s ef l o w ；v o fm e t h o d ?0 jlil。-， 目录 目录 第1 章绪论一1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外研究现状概述2 1 2 1 围油栏发展历史概述2 1 2 2 围油栏现状概述3 1 2 3c f d 软件f l u e n t 概述。5 1 3 本课题的主要研究内容6 第2 章围油栏的数值分析模型与计算方法7 2 1 围油栏的拦油机理7 2 2 数值分析模型的建立7 2 2 1 控制方程的建立7 2 2 2 边界条件设定8 2 2 3 计算模型的选择9 2 2 4 求解控制方法9 2 3c f d 仿真模型建立及解算条件设置9 2 3 1 物理模型建立与网格划分1 0 2 3 2 网格划分1o 2 3 3 求解网格模型的相关设置1 0 2 4 本章小结1 1 第3 章数值造波与多相流模拟的实现1 2 3 1 数值造波的实现1 2 3 1 1 数值造波和消波方法1 2 3 1 2 推板运动规律对波浪的影响1 3 3 2 多相流模拟的实现1 8 3 2 1 多相流模型建模方法1 8 3 2 2 水流速度的影响1 9 3 2 3 溢油品质的影响2 7 3 2 4 造波板运动规律的影响2 8 目录 3 2 5 风速对气液分界面的影响3 1 3 2 6 风、浪相互作用对围油栏拦油特性的影响3 3 3 3 本章小结3 4 第4 章围油栏拦油特性分析及不同结构参数的优化选取3 5 4 1 多孔桐排数的影响3 5 4 2 栅孔直径的影响3 5 4 3 前网、底网孔隙率的影响3 8 4 4 拦网厚度的影响4 1 4 5 底网长度的影响一4 2 4 6 围油栏高度的影响4 5 4 7 围油栏拦油性能的综合模拟4 6 4 8 本章小结4 8 结论5 0 参考文献5 2 致 射5 6 研究生履历5 7 网栅结构围油栏拦油特性数值模拟 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着经济全球化进程的不断加快，世界各国之间的贸易往来日益频繁，随之 而来的海运贸易得到了飞速发展。与此同时，世界对能源的消费需求也在不断增 加，世界航运业特别是石油运输业得到了空前发展。然而，随着船舶总数量和总 吨位的不断增加，船舶发生溢油事故的风险和几率也在不断增大，由此所带来的 海洋污染问题也变得越来越严重。据资料统计，目前全世界1 0 0 总吨以上的海上 机动船舶已经超过了1 2 万艘，造成的海洋环境污染中3 5 的污染物来自于船舶 【l 】。由船舶所带来的海洋溢油污染问题已经成为世界上最主要海洋污染之一，对 自然环境和生态系统造成了极大的破坏。 近些年来，海上溢油事故频频发生。据统计显示，1 9 7 3 至2 0 0 6 年，在我国 沿海海域发生大小船舶的溢油事故共有2 6 3 5 起，其中溢油量多于5 0 吨的重大事 故共有6 9 起，沉船事件多达4 0 起，海面溢油以及船舶翻沉后的水下溢油量达 3 7 0 7 7 吨【2 】。由溢油事故所带来的环境污染和生态破坏已经成为海洋污染中最为 严重、最受人们关注的焦点之一。因此，加强发生海上溢油事故的预防工作和溢 油发生后对溢油的回收和处理工作方面的研究显得极其重要。当发生海上溢油事 故后，如何在最短的时间内采用最有效的方式防止溢油进一步扩散，最大程度的 减小污染范围以及对溢油进行有效回收成为目前减少海洋环境污染的重要课题。 目前对于船舶溢油事故造成溢油的清除方法主要有：围控与回收、自然处理 法、溢油分散剂、海上燃烧法、生物复原法与沉淀法【3 】。其中最主要最常用的方 法就是使用围油栏首先对溢油进行围控与拦截，将溢油控制在一定范围之内，防 止溢油继续扩散，然后直接进行焚烧或者使用撇油器或其他溢油回收设施对溢油 进行回收1 4 1 ，从而达到最大限度减小溢油所造成海洋污染的目的。 在对溢油进行围控与回收过程，目前市场上已经有各种类型的专业设备与工 具，然而围油栏作为其中最为有效的工具之一已经被广泛的应用于各类溢油污染 事故中。围油栏在使用过程中具有方便快捷的特点，而且不会造成任何附加污染， 它是防止溢油扩散、缩小溢油面积的最为有效的工具之一。当发生水上溢油事故 后首先使用围油栏对溢油进行围控是处理海上溢油事故的最为常用的手段。 第l 章绪论 目前市场上拥有各式各样的围油栏，种类繁多、形式各样，并且不断有新型 式的围油栏出现【5 】，各种改进型围油栏使得围油栏的拦油效果得到很大程度的提 高，应用范围也越来越广泛。然而，不同类型的围油栏具有不同的适用条件，当 发生水上溢油事故后，需要溢油海域不同的水文气象条件、溢油的油品和规模等 实际情况对不同种类和结构围油栏进行选择【6 】。在实际应用过程中，在广阔的海 面上常常会因为风、浪以及水流的影响而造成部分溢油从围油栏下部流失的现象 发生，从而发生拦油失效，使得围油栏的拦油效果大打折扣 7 1 。因此，当发生海 上溢油事故后，如何根据实际情况对围油栏的结构形式和使用方式进行最优选 择，如何更大程度的发挥围油栏在处理溢油事故中的作用显得越来越重要【8 】。对 于围油栏的不同结构形式和形状，人们已经开展了很多的研究工作，对更多的高 性能围油栏开展了更为深入和更为广泛的研制工作。如何通过改变围油栏结构和 材料最大程度的避免拦油失效的发生，提高围油栏的拦油效果成为目前防止海洋 污染工作的重要课题。 1 2 国内外研究现状概述 1 2 1 围油栏发展历史概述 对围油栏的研制工作始于2 0 世纪5 0 年代或者更早型9 j ，而它作为防止海上 溢油污染的有效设备之一而且引起人们的真正重视是在6 0 年代末或者7 0 年代初 期。例如，在1 9 7 9 年1 月1 日，一艘油轮在丹麦附近海域发生搁浅，船体遭到 一定程度破坏，约有6 0 0 吨左右燃油溢出，而由于当时海面存在大量浮冰，无法 就地回收溢油。为防止溢油进一步扩散，当时使用了2 0 0 米长的特罗伊尔型围油 栏，以6 0 0 m h 的速度将溢油和浮冰拖带到3 英里外的陆地附近水域并用吸油设 备成功取出约5 0 0 吨冰和浮油，后被输送到炼油厂后约有4 0 0 吨燃油被回收【l o 】。 围油栏在处理类似应急事故中的重要作用越来越受到世界各国的广泛认可。 使用围油栏防止溢油扩散最初是被看作为在紧急情况下的一种急救措施，开 始其结构形式和形状都比较简单，而且一般都是配备于发生溢油事故的高危地 区，例如一些储油基地和炼油厂等地【l l 】。在6 0 年代后期，随着石油化工业和石 油运输业的空前发展，海上溢油事故也频频发生，为了防止溢油事故给海洋环境 和生态带来的严重影响，日本首先开始了围油栏的研制工作，开发出了防止海上 原油扩散的一种拦油栅( 又称为围油栏) 【1 2 l 。随着水域油污染防治技术的发展， 2 网栅结构围油栏拦油特性数值模拟 英、美、苏、法等国也分别研制出了各种类型的围油栏，近些年来，我国也研制 出了各种国产固体浮体式围油栏，并且应用于江河湖海围油作业中【1 3 】。 但是，在围油栏的实际使用过程中并不是总能达到理想中的拦油效果，常常 会在风浪的共同作用下发生拦油失效。围油栏失效是指其所围控的部分溢油从围 油栏顶部或底部逃逸，降低或丧失了围油栏的围控作用的现象【1 4 1 。特别是在恶劣 海况下，溢油会飞过上浮体越过围油栏或从围油栏下部流失。即便不考虑风浪所 造成的影响，在水流的作用下部分溢油也会在围油栏下部被水流带走。有关实验 研究表明围油栏失效主要存在三种形式：油层流失效、油滴夹带失效、临界积累 失效【1 5 - 1 6 1 。在7 0 年代初期，北欧和北美诸国就已经开始了关于围油栏失效的一 些先驱性研究并提出了围油栏失效的若干原因，但却并没有提出避免拦油失效的 解决方法【r 7 1 。 近些年来，随着计算机科学的不断发展，应用计算机进行数值模拟方法被应 用各个科学领域。数值模拟方法也被越来越广泛的应用于围油栏拦油效果方面的 研究。通过计算机进行数值模拟来研究围油栏拦油效果的方法可以节省大量的人 力、物力资源，无论是在效益还是工作效率方面都具有无可比拟的优势。目前该 方法已经成为该领域行之有效的研究手段之一，特别是随这一些商用软件( c f d 商用软件) 的开发利用，计算机在该领域的重要作用也变得越来越明显【1 8 】。 h m b r o w n ，c fa n 等人【1 9 。2 1 】成功的模拟出了围油栏拦油失效的问题，模拟出 了在二维情况下的三种拦油失效形式。张政等人【2 2 】在c fa n 等人的研究基础上 又进一步探讨了用v o f 方法来计算模拟围油栏的相关性能，而且计算结果在定 性上与d e l v i g i n e 等人【2 3 】试验结果基本吻合，只是在定量上的计算水流速度高于 试验值【7 】。e j c l a v d l e 和r d r o o w e 等人四】又采用了s o l a v o f 程序对重油进 行了拦油失效的数值模拟，与d e l v i g i n e 等人的试验结果也基本吻合。以上关于 数值模拟虽然都是对于普通单体围油栏，但是都说明了通过计算机模拟围油栏拦 油的研究方法的可行性和准确性，大量相关试验均证实了数值模拟的方法可以很 好的应用围油栏结构和形状的研制和设计工作中。 1 2 2 围油栏现状概述 目前的围油栏存在很多种形式，一般根据围油栏构造的不同分为固体浮子式 围油栏、充气式围油栏、外张力式围油栏、栅栏式围油栏、岸滩围油栏和防火围 3 面也围油栏使用效能的重要部分。 近年来，人们开始普遍关注围油栏结构和材料的改进，提出了许许多多形式 新颖、更为高效的围油栏结构。在实际的海面上，围油栏将受到风、浪、水流甚 至其他恶劣天气条件的共同作用，拦油失效的情况时常发生。特别是对于普通的 。 单体实心围油栏而言，拦油失效的情况极为普遍。大量试验【3 0 。3 1 1 表明如果能够适 当增加围油栏的栏深，在一定程度上确实能够很好的提高围油栏的拦油效果，但 是围油栏的受力也会相应的增大，受风浪的影响极易发生变形，使得围油栏的有 效拦油深度反而降低。鉴于单体实心围油栏的这些缺点，于是有了双体围油栏的 提出。所谓双体围油栏就是由两个单体围油栏组成，两个围油栏之间成一定距离， 它的作用机理是【3 2 1 ：在流水的作用下，第一道围油栏后面会形成一个强烈的漩涡， 该漩涡有利于将少部分逃逸的溢油重新困住，而第二道围油栏的作用就是保证了 两道围油间区域的稳定行，从而增强漩涡的目的。而且溢油从第一道围油栏逃逸 后，第二道围油栏能起到一个补充拦截的作用。对于双体围油栏的两道围油栏的 栏间距的大小，l e e 等人的实验【3 3 j 表明，栏间距离在8 1 0 倍围油栏栏高时，两 道围油栏间的漩涡较强，双体围油栏的拦油效果最好。 然而双体围油栏也存在自身的缺点，由于在两道围油栏之间存在较强烈的漩 涡，使得油层处于极不稳定状态，很容易生成大量小油滴，大量油滴一旦超过围 油栏负荷，极易发生夹带失效现象。而且双体围油栏只是依靠前体围油栏形成的 强烈漩涡来困住溢油，而漩涡大小与围油栏的栏深成正比例关系，但是过大的栏 深将导致围油栏发生变形，反而有效拦深减小，使得双体围油栏的拦油优势大大 4 网栅结构围油栏拦油特性数值模拟 削弱【3 4 1 。鉴于双体围油栏存在的一些缺点，于是又有一种更新型的围油栏诞生了， 叫做网栅结构围油栏 6 1 。它是由前网、底网和实心围油栏组成，其中前网的作用 是减小实心围油栏前的油水速度，底网的作用是确保拦油区域的稳定性。程石勇 【3 5 增基于安长发等人的试验对网栅结构围油栏进行过数值模拟，结果发现这种 结构的围油栏比普通单体围油栏的拦油失效速度高3 0 。张政【3 9 】等人也提出了 许多新型网栅组合结构的围油栏，而且临界失效速度也成功提高到了2 0 m s 以 上。大量试验均表明，网栅结构围油栏作为一种新型式的高级围油栏，与普通 单体围油栏相比具有很强的拦油能力，拦油失效速度得到了极大提高，且通过改 变网栅结构围油栏的结构进一步改善其拦油效果仍然具有很大的潜力。 1 2 3c f d 软件f l u e n t 概述 用于流场分析的计算软件有许多种，如美国的f l u e n t ( 已被a n s y s 收购) ， 英国的s t a r - c d 、c f x 等等。在名目繁多的c f d 软件中，f l u e n t 软件中v o f 模块的精确追踪不同流体分界面的特点恰好适用于本课题的研究。同时f l u e n t 软件可以根据具体分析的需要，自行编写用户自定义函数( u d f ) ，从而灵活定 制边界条件和材料属性等，弥补了软件中固定计算模块的不足，从而便捷了数值 模拟计算【钓】。通过大量相关资料阅读和分析，本文采用流场分析软件f l u e n t 进 行课题的数值计算。 通过f l u e n t 软件，可以更加直观的展现出围油栏内部流场分布，对速度失效 情况一目了然，将较抽象的数学模型可视化直观化，对各种物理量的计算结果进 行对比与分析，同时可以通过改变围油栏的各项物理模型或边界条件的设置参 数，在较短时间内显示并分析流场内的具体行为情况【4 1 】( 如压力、流速、流体迹 线等) 。通过对仿真结果的直观对比分析，可以非常简洁高效地达到最优的数值 模拟设计的效果。通过流场内部数据的可视化，加深对围油栏拦油特性产生机理 的理解，有利于提出更加优化的设计方案，使得课题的研究在趣味中不断向前推 进。 g a m b i t 是f l u e n t 的一个前处理软件，具有灵活的对计算模型划分网格的方 法，其网格包括结构化、非结构化网格【4 2 】。对一些较复杂的模型，可首先在三维 建模软件( 如s o l i d w o r k s ) 环境中建模，将模型直接导入g a m b i t 软件，最后在 g a m b i t 环境中进行计算区域离散化，亦即计算网格的划分，使得物理模型的建 第1 章绪论 立更加方便和快捷。值得注意的是，g a m b i t 能够将每个物理模型的建立皆写入 日志文件( j o u 文件) ，对类似模型的建立，只要改变原来日志文件中的几个参 数即可，可以说是“一键建模，【4 3 1 。更有利于课题进行的是，f l u e n t 同样也支持日 志文件，因此，在确定计算模型及解算条件准确无误的前提下，对类似工况的数 值模型，仅需改变日志文件中几个相关参数设置即可，然后导入f l u e n t 软件，可 以说是实现了“一键运行计算模型 【4 3 1 。因此，计算配置越充裕，为课题争取的 时间就越多，数值仿真的优势由此可见一斑。 本文求解环境采用f l u e n t 软件提供的f l u e n t 5 6 ，可较好满足围油栏流场特 性的分析计算。 f l u e n t 软件还具有较强大的数据后处理功能，可灵活的将局部和整体流场可 视化。利用f l u e n t 计算所得到的数据可以导入其它的数据处理软件中，例如 t e c p l o t 、o r i g i n 及e x c e l 等进行数据处理和分析。 1 3 本课题的主要研究内容 围油栏作为一种防止溢油扩散、缩小溢油面积的有效工具，当海上发生溢油 事故后，可用围油栏把油层范围限制住，防止了油层扩散，便于溢油的及时回收 与清除。本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 搜集、整理并研读了课题相关文献与资料、信息。对围油栏的应用与发 展、数值造波、多相流模拟等方面资料作了较全面详尽的整理、归纳； ( 2 ) 建立了围油栏物理模型，并对计算区域离散化( 网格划分) ，设置了边界 条件、解算条件，编写了用户自定义函数u d f ( u s e r - d e f m e d f u n c t i o n ) ； ( 3 ) 实现了数值造波、消波与多相流模拟； ( 4 ) 通过数值模拟，分析了水流速度、燃油品质、造波板运动规律以及风速 等参数的围油栏拦油效果的影响。 ( 5 ) 具体研究了网栅结构围油栏不同材料和结构参数的拦油特性，对结构参 数进行优化选取。根据不同风速、水流速度以及波浪环境的改变分析网栅结构 围油栏的拦油特性。 ( 6 ) 综合考虑多因素共同作用，在更近于实际海况的环境下分析网栅结构围 油栏的拦油特性，确定该结构围油栏适用海况的情况。 6 网栅结构围油栏拦油特性数值模拟 第2 章围油栏的数值分析模型与计算方法 2 1 围油栏的拦油机理 y 图2 1 围油栏拦油机理 f i g 2 1o i lb l o c k i n gm e c h a n i s m 海上发生溢油事故后，在风、波浪和水流等因素共同作用下，溢油将会迅速 扩散，此时若不及时进行拦截，必将进一步扩大受污染区域，给生态环境带来无 法挽回的可怕后果。围油栏通过直接阻挡溢油层的流动，抑制溢油自由扩散，对 溢油进行集聚，是回收溢油的关键一环。如图2 1 所示溢油层在水流、浪潮等影 响下向水流流动方向扩散，围油栏的存在阻止了溢油的扩散，对溢油起到抑制扩 散的作用，为后续回收工作做好关键性准备。 事实上，溢油附着在水面上，其形状受波浪、风力等影响是及其不规则的， 围油栏受到了溢油层的撞击后，很容易出现部分溢油从围油栏顶部越过的情况， 而且当所集油层厚度达围油栏浸没深度时，加之水流速度的影响，围油栏底部就 很容易出现溢油的部分流脱，这都将会使得围油栏的拦油效果大打折扣。因此， 减小油层对围油栏的撞击、提高围油栏的临界失效速度和拦油效果成为结构优化 的导向。 2 2 数值分析模型的建立 2 2 1 控制方程的建立 控制方程采用不可压缩粘性流体的n a v i e r - s t o k e s 方程和连续方程，选取速 度、压力为变量： p 矿a _ z u 矿舟s ， 7 第2 章围油栏的数值分析模型与计算方法 p(丝+“丝+矿万ou)=一石op+，丝ox20t o xo x + 褰) + ( 2 2 ) pi + “+ 矿i = 一+ l + _ l + 6 。一、 。i钞 撕 。 砂2j 。 ( 2 2 ) p ( 玺+ “瓦o v 。+ y 雾) = 1 0 p x ，。1 ( a 0 j 2 v i + 导) + sq 固p 【瓦瓦 万j 21 x 一一i a j i + 矿j + 6 ， ( 2 3 ) 上述方程中，p 为流体密度，u 、v 分别为x 、y 方向的速度分量，p 为流体 微元所受压力，p 为流体动力粘度系数，g 为流体所受重力加速度，s m 为附加质 量源项，s ”s y 分别为x 、y 方向的动量源项。 自由界面追踪采用v o f 方法。波面不发生破碎的情况下，假设自由表面的 曲线表达式【4 5 】： r ( x ，y ，t ) = o ( 2 4 ) 那么，自由表面运动学表述： 昙【枇烘d 】_ 鲁+ 甜警+ v 舅 c 2 射 实际情况是波浪撞击围油栏时很容易发生破碎，且水、空气、油互不相溶， 故需追踪自由表面。目前追踪自由表面的方法有m a c 法、v o f 方法、边界元法、 l e v e ls e t 函数方法等。经过分析，本课题采用v o f 方法。所谓的v o f ( v o l u m e o ff l u i d ) 方法，即流体体积函数法。通过计算每一个网格中流体体积所占网格 体积的百分比函数f ，来确定自由表面的形状、位置。对于液体气体两相空间 区域，定义标量函数f ，对于存在液体的空间点，f = - i ；若空间不被液体占据，则 f = - o 。各计算单元对f 积分，所得值除以计算单元的体积，得到f 的平均值，及每 一计算单元中液体所占的体积份额，把这一份额定义为函数f 。若某时刻，f = i ， 则说明该计算单元内部全部为指定相流体；若f = o ，则单元被另种流体占据； 若o f i ，说明该计算单元为两相物质的交界面。 体积分数函数f ( i j ，t ) 满足： 望o t + ( 甜) f = 0 ( 2 6 ) 2 2 2 边界条件设定 进出口边界条件：分析水流速度对拦油特性的影响时，进口设为速度进口， 分析波 两种情 壁 壁；分 方程中，g k 、吼分别表示平均速度梯度引起的湍流动能与浮力影响引起的 湍流动能，y m 为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。方程中鸬= 孵了k 2 为 湍流粘性系数。f l u e n t 软件中对方程中系数采用默认值：c 。：= 1 4 4 ， c 2 彳= 1 9 2 ，c = 0 0 9 ，k 、的湍流普朗特数：o k 21 0 ，吒= 1 3 。 2 2 4 求解控制方法 根据课题具体情况，采用v o f 方法追踪分界面，故解算模型属于典型的非 稳态计算，选取压力速度耦合算法p i s o ( p r e s s u r e i m p l i c i tw i t hs p l i t t i n g o f o p e r a t o r s ) ，离散方法考虑重力加速度的影响选用b o d yf o r c ew e i g h t e d 方法。另 外，根据计算模型的收敛情况，可以适当调节压力松弛因子，以便获得较快的计 算速度与较好的收敛，在此不在赘述。 2 3c f d 仿真模型建立及解算条件设置 本小节主要介绍围油栏流场模型的二维物理模型建立、网格划分与边界条件 设置。 由围油栏本身局部变形引起的表面不规则在仿真中不予考虑，并忽略围油栏 表面粗糙度对流场的影响。 9 第2 章围油栏的数值分析模型与计算方法 2 3 1 物理模型建立与网格划分 所建二维模型为围油栏流场模型，故实际形状为所选流体区域的形状。为与 实际情况接近，选取数值模型高4 米，长2 0 米，其中水深2 米。为获得良好计 算结果且不致于耗时过大，对水面波浪区域与围油栏附近区域做合理的网格加 密。 2 3 2 网格划分 建立物理模型，基本结构参数如下：模型总长度l = 2 0 m ，总高度h = 4 m ，其 中水深h w = 2 m ，围油栏高h b = 0 7 m ，围油栏浸没深度h l = o 5 m 。根据不同模拟环 境进一步调整。 设置边界条件：采用压力进口、压力出口，壁面设置为固壁无滑移条件。 2 3 3 求解网格模型的相关设置 f l u e n t 前处理软件g a m b i t 的功能是建立物理模型并对计算区域进行离散化， 而模型的具体求解过程则是在f l u e n t 中完成的。 考虑波浪、风速等影响时，选取基于压力的非稳态求解器，并且采用k _ 湍 流模型，标准壁面函数。 定义空气为第一相、液态水为第二相。水密度取1 0 0 4 x 1 0 3 k g m 3 。溢油密度 取8 8 8 k g m 3 , 粘度7 0 x 10 一m 2 s 。 重力加速度大小设置为9 8 1 m s 2 ，方向为竖直向下。此处定义空气为可压缩气 体，密度1 2 2 5 k g m 3 。需要注意的是，v o f 方法中，多相流体中只有一相是可 压缩的，此处即为空气。操作压力设置为l a t m 。 边界条件设置：流体初始状态为空气水混合物( m i x t u r e ) 。 载入自定义函数u d f - 由于f l u e n t 运算环境没有提供波浪模块，故数值波 b y 浪的产生需用户编写自定义函数u d f 。本文据此定义造波板的运动规律，从声 而使得造波板产生出本文所需的数值波浪。 动网格设定：选取分层和重构方法。造波板需设置为刚体，网格高度根据具 体网格划分情况而定。水池底面为变形面，变形法线方向垂直于水池底面。 计算条件初始化：根据具体运算条件定义。定义流速或对所有区域进行初始 化。 计算区域的补充定义：首先建立寄存器区域，对水池补充定义。本文水池定 1 0 义水深2 m 。对水池进行 占的体积比例函数f 为1 便于分析造波板所造波形情况。 计算步长：本例采用o 0 2 s 。在计算收敛情况较差的情况下，调小本项的值 是很有效的解决方法，但是相应地，计算耗时增加了。 迭代计算：本例设置1 0 0 0 0 次，根据计算情况可更改。 2 4 本章小结 本章介绍了数值模拟所针对的围油栏的结构及具体参数，围油栏的拦油机 理、控制方程及标准k - 湍流模型，并详细介绍了围油栏数值计算模型的建立过 程，包括网格划分、边界条件设定、计算模型的选取以及迭代计算过程的设置等。 第3 章数值造波与多相流模拟的实现 第3 章数值造波与多相流模拟的实现 本章分三部分，前两部分分别介绍数值造波与多相流模拟的实现，第三部分 结合实例分析波浪因素、风速对围油栏拦油特性的影响。 3 1 数值造波的实现 为全面考察围油栏拦油特性，除了分析水流速度对拦油效果的影响，值得注 意的是波浪的影响。为此数值模拟了波浪水池进行造波与削波，并对不同周期、 浪高的波浪进行了仿真。实际海上情况，风流也会对海面产生影响，在本小节均 进行了分析。 3 1 1 数值造波和消波方法 数值造波实质是利用计算机实现的流体力学仿真程序，在有界区域内进行实 时模拟重力场中的自由表面的运动情况，形象的模拟出造波机所造的各种波场， 为造波机的设计、造波试验等提供技术依据。 数值造波机可以高精度的对波浪进行模拟，并且具有造价低、易于改造、易 于普及等特点。i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fo f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n g ( i s o p e ) 学会早在1 9 9 9 年就将数值波浪水池作为专题在其年会上进行讨论。数值造波技 术具有广阔的应用前景。 最先出现的造波方法是基于势流理论，如最初l o n g u e t h i g g i n s 和c o k e l e t 舶s ! 提出的混合欧拉一拉格朗日方法( m e l ) ，该方法使用欧拉方法求解流体速度场， 根据速度通过拉格朗日方式追踪自由界面的流体质点，实现造波。m e l 方法使 得计算域中的完全非线性自由界面的运动学规律成为可能。b a u d i c 等人【4 7 】在 m e l 方法基础上开发出二维数值波浪水槽；r y u 等人【4 8 】贝i j 在边界积分方程法 ( b i e m ) 和m e l 方法的基础上开发出数值波浪水槽。基于势流理论的另一方 法一模态分析法，最初由v i n j e 和b r e v i g 【4 9 1 提出，该方法考虑了重力场的影响， 并说明压力分布、浮体加速度的确定方法。b e r k v e n s 5 0 1 在此方法的基础上开发出 三维波浪水池。w u 和e a t o c k - t a y l o r t 5 1 】对模态分解法进行了拓展并进一步提出了 间接方法；k a s h i w a g i t 5 2 】贝0 根据此方法进行了浮体运动的快速求解。 近年来，基于粘流理论造波的研究引起了逐渐增多的关注。p a r k 等人【5 3 】采 用有限差分法( f d m ) 进行n s ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程的离散，并采用m a c ( 标记 1 2 网栅结构围油栏拦油特性数值模拟 点和格子) 方法处理自由界面，研究了非线性波浪运动与固定的三维物体间的相 互作用f 明。x i n g k a e d i n g 等人f 5 5 】采用有限体积法( f v m ) 离散r a n s 方程，并 采用v o f 方法处理流体自由界面，模拟波浪中的船舶运动。l u q u e t 等人【5 6 】则开 发出s w e n s e ( s p e c t r a lw a v ee x p l i c i tn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s ) 方法，计算了 d n 佃5 5 1 2 在波浪中的水动力、波形与流场等情况。 目前出现的几种造波方法有：动边界造波，如推板、摇板造波以及滑坡体滑 入水中造波【5 刀等；设定造波边界法造波：即在入射边界给定流速和波高；设置 造波区域法造波：即在造波区域给定速度和压力；动量源项造波法造波：通过源 项造波。其中动边界造波法模拟物理造波过程，波浪水池一端的造波板在造波机 带动下做既定规律的运动，产生波浪。数值模拟中，利用动网格技术，改变动边 界运行模型，即可模拟出不同结构参数的推板式、摇板式造波机。本文造波即采 用推板造波，造波板初始位置( 同时也是平衡位置) x - - 0 ，做沿x 轴( 即水平方 向) 的往复运动，产生数值波浪。为获得较好的造波效果，而且不至于计算量过 大，对波面附近的网格进行了局部加密，如图3 1 所示。 图3 1 波面附近区域的网格加密 f i g 3 1g r i dt e r m i n gn e a r b yw a v es u r f a r e a 消波方法：考虑数值波浪水池中波浪运行到水池墙壁边界处产生反射波，反 射波的反向传递势必影响围油栏所在区域的流场分布情况，造成所得数据不准 确。为此采用模拟现实中的削波滩的方法进行反射波的削弱，以期得到较理想的 波浪水池，提高数值模拟的可信度。目前数值模拟中采用较多的削波方法有多孔 介质消波法，稀疏网格消波法，人工粘性削波法f 5 8 】等。本文采用多孔介质消波 法进行削波。 3 1 2 推板运动规律对波浪的影晌 造波板运动速度方程： 1 3 第3 章数值造波与多相流模拟的实现 2：，=争1要；。sc皖蟮，f 5 ；2 t 。3 。， k 害c o s ( 咄。2 丁 一 ) 根据前述对模型进行网格划分与边界条件设置，进行数值模拟所得结果中， 对气液分界面上一点( 5 ，2 ) 的相对于x 轴的速度进行时域监控，当模拟推板做 正弦运动时结果如图3 2 所示。 1 4 ， 网一栅结构围油栏拦油特性数值模拟 图3 2 仿真所得推板正弦运动( t = 2 s ，s = l m ) f i g 3 2s i n u s o i d a lm o v e m e n to f p u s h - b o a r di ns i m u l a t i o n ( t = 2 s ，s = i m ) 造波板的运动比较理想，且在仿真中发现，随着监控点沿x 轴正方向的移动， 其速度有所降低，说明波的传递过程中受流体粘度影响，振幅减小。对应上述造 波板运动规律，所得瞬时波形如图3 3 1 6 所示。 图3 4 数值波浪瞬时形状( 仁3 s ) f i g 3 4i n s t a n t a n e o u ss h a p eo f n u m e r i c a lw b v e ( 仁3 s ) n o o o 一疆i)h=oo一。 53o3 ：| 8 盐 t 5 0 5o 一一 第3 章数值造波与