基于FLUENT软件的海上船舶溢油扩散研究

[41]。3.3算例研究及模拟仿真参数本文是模拟海上溢油泄漏情况，针对于海上的实际情况，考虑到风速和海水的影响，建立一个三维的海上溢油模型。在进行模拟仿真时，第一步是仿真模型的选择，在确定模型后。下一步需要确定模拟参数的数值。本论文的模拟参数，主要依据现有现状的常规参数，溢油密度设置为，粘度设置为16Mpa·s，海水密度设置为。表X.X为此次仿真模拟的参数。表3.1仿真模拟的参数Tab.3.1Simulationsimulationparameters物理量参数值溢油密度（）溢油粘度（）16海水密度（）计算域长度（）40计算域宽度（）30计算域深度（）20在进行模拟仿真时，溢油速度的计算值为0.1、0.2、0.3、0.5、1、2、3、4m/s，在计算泄漏速度、海面风速、海水流速三种工况时，上述七种泄露速度均进行计算，分析得到的结果，将结果清晰可见的计算值列为模拟工况的计算范围内。模拟工况如表X.X所示。

表3.2模拟工况的参数Tab.3.2Parametersofsimulatedworkingconditions工况计算域（）泄漏速度（m/s）海面风速（m/s）海水流速（m/s）泄漏速度0.120.30.220.30.320.30.520.3120.3220.3320.3420.3海面风速0.210.30.220.30.240.30.260.3220.3260.3270.3280.3海水流速0.220.10.220.20.220.30.220.4220.1220.3220.5220.74海上船舶溢油模型构建及仿真4.1海上船舶溢油扩散数学模型4.1.1基本假设本文在针对海上溢油扩散模拟仿真研究时，在现有计算设备的配置要求条件下，减小仿真计算量，确保实际结果真实性的条件下，对仿真模型进行以下合理基本假设：（1）假设发生泄露时，泄漏速度始终保持某一数值不变；（2）假设发生泄露时，泄露方向始终与海水流速夹角为90°；（3）假设泄露到海面的柴油不发生乳化、蒸发、溶解等反应。即只模拟溢油的动力过程；（4）假设本研究仅针对水油气三相。4.1.2模拟计算方法本文首先概述了基础的计算流体力学的理论，接着对流体性质理论进行了阐述。然后，对VOF模型、Mixture模型和Euler模型的概念、适用范围和优缺点进行分析，对模型、模型、Spalart-Allmaras模型进行分析，综合理论和模型的分析，最终选定VOF模型和模型进行仿真模拟计算。4.2海上船舶溢油扩散仿真模型4.2.1几何模型构建本文为模拟海洋三维立体情况，建立了长为40m，宽为30m，高为40m的长方体模型。其中，海水域体积为，空气域体积为。其几何框架如图4.1所示。图4.1海上溢油模型几何框架Fig.4.1Geometricframeworkforoffshoreoilspillmodel图4.2为海上溢油模型的示意图。图中红色区域作为溢油口，溢油泄漏速度与海水流向夹角为90°，海平面以上的区域设置为空气域，海平面以下的区域设置为海水域。设置初始的溢油泄漏速度为2m/s，海水流速为0.3m/s，空气流速为2m/s。在仿真时，设置重力加速度的方向为Z轴负方向，大小为9.8m/s。图4.2海上溢油模型的示意图Fig.4.2Diagramofanoffshoreoilspillmodel4.2.2网格划分网格的类型主要包括结构化网格和非结构化网格两大类。在进行仿真分析时，一个精确的结果往往依赖于网格的精心划分以及高质量网格的生成。在本研究中，选择非结构化网格进行划分。非结构化网格的特点在于，每个网格单元都是独立的存在，并且拥有自己的唯一编号。此外，为了明确各个独立网格单元之间的相互关系，会对整个网格集合进行统一编号。尽管使用非结构化网格会使得网格生成的任务更为繁重，并且求解离散方程的速度相对较慢，但这种方法对于适应复杂流场具有显著的优势。因此，在处理复杂几何形状的流场问题时，非结构化网格是一个更合适的选择。在非结构化网格中，四面体网格是构成的主要元素，它不仅能够快速生成，而且在逼近实体形状方面表现出较高的精度。因此经各方面考量，本论文使用ICEM对海上溢油的三维模型进行非结构化网格划分，对几何模型划分为四面体网格，共划分出网格数为107720个。在溢油泄漏口处划分网格，将划分网格的最大允许尺寸设置为0.1m，划分出111个网格。其他表面处划分网格，将划分网格最大允许尺寸设置为2m，图4.3为海上溢油模型的网格模型图。图4.3海上溢油模型的网格模型图Fig.4.3Gridmodeldiagramofanoffshoreoilspillmodel4.2.3参数设置（1）边界条件设置对该模型的边界条件进行设置，右侧边界为溢油泄漏口、空气域入口、海水入口，将其设置为速度进口，溢油泄漏口将柴油的体积分数设为1，空气域入口将海水和柴油的体积分数设为0，这样空气的体积分数就是1，海水域入口将海水的体积分数设为1。空气域四个壁面设置为压力出口。海水域设置为对称壁面，模拟海水水域。图4.4为仿真模型边界设置示意图。图4.4仿真模型边界设置示意图Fig.4.4Schematicdiagramofsimulationmodelboundarysetting（2）初始化设置初始条件是指在某个计算区域开始计算时，各个边界所处的初始状态的设定。进行初始化设置的目的，是为了将计算区域及其所有边界条件预先赋值，使其符合实际问题初始状态的数值，从而使得后续的计算过程能够更准确地模拟实际情境，提高计算结果的真实性。本文将采用瞬态计算研究，对于瞬态计算，初始化设置对仿真结果有直接影响，因此，在仿真计算前，要进行初始化设置。在开展海洋溢油扩散模拟研究时，在正式进行计算之前，会完成一系列的初始化配置工作。具体来说，包括将空气区域内的水和柴油的体积分数设定为0，确保空气的体积分数为1；同时，在海水区域中，将水的体积分数设为1，而柴油的体积分数设为0。这样的初始化操作是为了确保在仿真开始时，计算区域内不存在溢油，从而为后续的溢油模拟扩散提供一个理想环境。图4.5为初始化设置后的纵截面海水含量分布图。图4.6为初始化设置后的纵截面柴油含量分布图。图4.5初始化设置后的纵截面海水含量分布图Fig.4.5Thedistributionofseawatercontentinlongitudinalsectionaftertheinitialsetting图4.6初始化设置后的纵截面柴油含量分布图Fig.4.6Thedistributionofdieseloilcontentinlongitudinalsectionaftertheinitialsetting（3）求解设置在求解算法方面，选择PISO（Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators）是压力隐式分割算法，运用PISO算法，校正的速度会十分接近流体力学中的连续性和动量方程，该算法极大减少了迭代收敛需要的步数，总体效率比较高，因此该算法在求解论文所需的瞬态问题具有明显的优势。在模拟仿真计算方面，采用瞬态计算，时间步数设置300步，时间步长设置0.2s，仿真模拟计算60s的瞬态问题。4.3仿真模拟结果分析4.3.1泄漏速度的影响本小节中将溢油速度分别设置为0.1、0.2、0.3、0.5、1、2、3、4m/s八种不同的溢油溢出速度，以此研究不同溢油速度对海上溢油运动特性的影响，设置海水深度为20米，空气域高度为20米，溢油泄漏口截面面积为0.5平方米，海水流速设置为0.3m/s，风速设置为2m/s，溢油密度设置为，海水密度设置为，计算区域为整个海水域，模拟仿真计算时间为60s。在模拟计算时，对上述七种溢出速度均进行仿真计算，进行结果分析时，选取0.1、0.2、0.3、0.5m/s三种溢出速度为A组，1、2、3、4m/s四种溢出速度为B组。设置B组考虑到在溢油速度较小条件下，溢油60s泄漏出的溢油量较少无法得出明显规律，需要增加模拟仿真计算的时间，但考虑到计算机配置及硬件等客观条件，在同等条件下，提高溢油溢出速度从而以便得出海上溢油的明显规律。其他两种影响因素的模拟仿真实验均设置类似作用的A、B组。（a）0.1m/s （b）0.2m/s（c）0.3m/s （d）0.5m/s图4.7A组不同泄漏速度下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.7GroupAoilspilldistributiondiagramduring60swhenoilspilloccursunderdifferentleakagevelocities由图4.7可知，溢油口附近的泄漏浓度最大，溢油最外侧浓度较小。随着溢油速度的增加，溢油扩散的距离和范围均相应增加。（a）1m/s （b）2m/s（c）3m/s （d）4m/s图4.8B组不同泄漏速度下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.8GroupBoilspilldistributiondiagramduring60swhenoilspilloccursunderdifferentleakagevelocities由图4.8可知，在持续溢油情况下泄漏60s，泄漏点附近是溢油体积分数含量最大区域，同时也是溢油浓度最大区域。溢油速度方向对其扩散主方向有较大影响。随着距离泄漏点直线距离的增加，单位面积内溢油含量、浓度逐渐降低。溢油在不同溢出速度工况影响下，其影响范围不同。溢油持续泄漏60s时，在溢油速度为1m/s工况下，溢油到达海平面长度约1/4处，在溢油泄漏速度为4m/s工况下，溢油到达海平面长度约1/2处。随着溢油溢出速度的增大，海面溢油扩散范围明显增加（主要体现在扩散范围的“宽度”增加），溢油扩散距离增加，因此溢油泄漏速度是溢油扩散尺度的重要影响因素。（a）1m/s （b）2m/s（c）3m/s （d）4m/s图4.9B组不同泄漏速度下溢油发生60s时溢油分布纵截面图Fig.4.9GroupBlongitudinalcross-sectionofoilspilldistributionduring60swhenoilspilloccursatdifferentleakagevelocities由图4.9可知，在持续溢油情况下泄漏60s，溢油泄漏点附近的溢油含量和浓度最大，且溢油浮于水面之上，形成大量堆积，离泄漏点直线距离越大，溢油的厚度越低，形成的油膜在后期更易扩散漂移。由上述四种工况可知，纵截面图可清晰的看出，随着溢油泄漏速度的增加，溢油可扩散到的最远距离也在随之增加，与此同时，在距离泄漏点相同距离的溢油含量也随之增加，且溢油浓度最大值逐渐减小。当溢油泄漏速度为2m/s时，溢油在泄漏口的堆积较厚，含量最高，此泄漏情况下对泄漏点位置附近的较深层次的海水生态环境影响较大。4.3.2不同风速的影响本小节就海面风速不同的工况，选取了4种不同的风速，分别是1、2、4、6、7、8m/s，此工况的风速分别模拟溢油泄漏时海面状况为小波、轻浪、中浪的常规情况，溢出速度设置为0.2、2m/s，海水流速设置为0.3m/s，溢油泄漏口截面面积为0.5平方米，溢油密度设置为，海水密度设置为，计算区域为整个海水域，模拟仿真计算时间为60s。（a）1m/s （b）2m/s（c）4m/s （d）6m/s图4.10A组不同风速下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.10GroupAoilspilldistributiondiagramduring60sunderdifferentwindspeeds由图4.10可知，在风速为1、2、4、6m/s的情况下，溢油速度为0.2m/s，其溢油扩散为由“宽”变为“长”。由图（d）可知，此时的溢油形态近似带状，试推测当溢油发生时间延长时，此条件下会形成一条狭长的溢油带。（a）2m/s （b）6m/s（c）7m/s （d）8m/s图4.11B组不同风速下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.11GroupBOilspilldistributiondiagramduring60swhenoilspilloccurredatdifferentwindspeeds在上述四种工况可知，在泄漏速度为2m/s，风速为2、6、7、8m/s情况下，溢油扩散形态存在不同。由图4.10可知，溢油持续泄漏60s时，风将泄漏口附近的溢油堆积吹向远处，此部分溢油从图上看在海面上的含量较均匀，且此部分溢油形态呈现“V”形，由此可知风是改变海面溢油形态的重要影响因素。当风速为6m/s时，在其影响下溢油口附近溢油形状近似于长方形条状。当风速为7、8m/s时，溢油的整体形态趋向于长方形条状，且溢油口附近的溢油含量相比前几种风速状况下的含量有所降低。随着风速的增加，溢油的扩散范围也随之增加（主要体现在扩散范围的“长度”增加）。具体变化过程如下图4.12所示。（a）2m/s （b）6m/s（c）7m/s （d）8m/s图4.12B组不同风速下溢油发生60s时溢油轮廓变化图Fig.4.12GroupBoilspillprofilevariationdiagramduring60swhenoilspilloccursunderdifferentwindspeeds（a）2m/s （b）6m/s（c）7m/s （d）8m/s图4.13B组不同风速下溢油发生60s时溢油分布纵截面图Fig.4.13GroupBLongitudinalcross-sectionofoilspilldistributionduring60sunderdifferentwindspeeds由图4.13可知，随着风速的增加，溢油的扩散距离也在增加，且其远离溢油口附近的油膜厚度更加一致、均匀。当风速大于6m/s时，溢油在泄漏口附近的堆积减少，且厚度较2m/s的工况下更加均匀。4.3.3不同海流速度影响本小节中就不同海流速度的工况，选取了4种不同的海流速度，分别是0.1、0.2、0.3、0.4m/s，溢出速度设置为0.2、2m/s，风速设置为2m/s，溢油泄漏口截面面积为0.5平方米，溢油密度设置为，海水密度设置为，计算区域为整个海水域，模拟仿真计算时间为60s、120s。（a）0.1m/s （b）0.2m/s（c）0.3m/s （d）0.4m/s图4.14B组不同海流速度下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.14GroupAoilspilldistributiondiagramduring60swhenoilspilloccurredunderdifferentcurrentvelocities由图4.14可知，在泄漏速度为2m/s情况下，四种海流速度下，溢油扩散范围及距离变化差别不大，海流速度为0.1m/s情况下，溢油在泄漏口附近形成的溢油范围较宽。在海流速度为0.4m/s情况下，溢油的扩散距离有所增加但不明显，其泄漏口附近的溢油范围变窄。基于此结果，考虑到可能是仿真模拟时间较短的原因，随后做出延长仿真时间为120s，调整时间步数为240步，时间步长为0.5s的改变，继续观察结果。（a）0.1m/s （b）0.2m/s（c）0.3m/s （d）0.4m/s图4.15B组不同海流速度下溢油发生120s时溢油分布图Fig.4.15GroupAoilspilldistributiondiagramduring120swhenoilspilloccurredunderdifferentcurrentvelocities通过将图4.14与图4.15相对比，二者的结果分析出的结论基本一致，图4.14四种海流速度的结果也相差不大。基于此结果，考虑到两个因素，一是溢油的密度小于海水，因此浮于海水之上，导致海流速度对其的影响不大。二是溢油的速度为2m/s，海流速度为0.1、0.2、0.3、0.4m/s，二者速度基数相差较大，导致海流的影响效果不明显。综合以上两者因素，考虑可行性，决定降低溢油流速为0.2m/s，模拟计算60s，其他参数保持不变。（a）0.1m/s （b）0.2m/s（c）0.3m/s （d）0.4m/s图4.16A组不同海流速度下溢油发生60s时溢油分布图Fig.4.16GroupBoilspilldistributiondiagramduring60swhenoilspilloccurredunderdifferentcurrentvelocities由图4.16可知，与上述结论保持一致，随着海流速度的增加，溢油口海面附近的溢油浓度降低，溢油的扩散范围有所增加，且外围的浓度也有所提高。当海流速度为0.4m/s时，溢油口海面附近浓度相较海流速度为0.1m/s时明显变低，且其扩散成开口状，可合理推测随着泄露时间的增加，所影响的范围将更大。同时，也能发现随着海流速度的增加，其溢油扩散的离散程度也在增加，扩散的随机性也在增加。（a）0.1m/s （b）0.2m/s（c）0.3m/s （d）0.4m/s图4.17A组不同海流速度下溢油发生60s时溢油分布纵截面图Fig.4.17GroupBLongitudinalcross-sectionofoilspilldistributionduring60sunderdifferentcurrentvelocities由图4.17可知，当海流速度较小时，泄漏口附近形成溢油堆积，导致泄露口附近的溢油浓度及含量较高。当海流速度增大时，在海水的流动作用下，溢油向外扩散，从而使泄漏口附近的溢油浓度降低，外围的含量及浓度上升。此结论与上述图4.16得出的结论一致。综上对不同泄漏速度、不同海面风速、不同海流速度仿真模拟的结果，得出以泄漏速度为指标时，扩散范围会随着泄漏速度的增加而增加。在A组结果，当溢油泄漏速度为0.5m/s工况下，溢油扩散范围与其他工况相比最大。在B组结果，当溢油泄漏速度为4m/s工况下，溢油到达海平面长度约1/2处，溢油扩散范围与其他工况相比最大。当溢油泄漏速度为2m/s时，溢油在泄漏口的堆积较厚，含量最高，此泄漏情况下对泄漏点位置附近的较深层次的海水生态环境影响较大；以海面风速为指标时，当风速大于6m/s时，溢油形状及轨迹趋向于长条状，形成溢油带。且在风速的作用下，泄漏口附近的溢油堆积明显减少；以海流速度为指标时，当海流速度为0.4m/s时，与其他工况相比泄漏口附近浓度较低，扩散成开口状，扩散的随机性和离散程度较大。

5总结与展望5.1结论本文对海上船舶溢油进行模拟仿真研究，综合分析了VOF模型、Mixture模型、Euler模型多相流模型和湍流模型，最终确定选择VOF模型和模型，利用ICEM软件构建立体几何模型，通过模拟仿真计算，采用控制变量法，得到关于溢油泄露扩散漂移的结果预测，总结出海上船舶溢油泄漏漂移扩散的规律，具体结论如下：（1）论文对海上溢油的国内外研究现状展开细致的研究对比，研究学习了计算流体力学的相关理论和流体性质，参考实际溢油密度、粘度，建立了海上溢油仿真模型，基于FLUENT软件进行计算模拟仿真，预测了在不同泄漏速度、不同风速、不同海流速度因素条件作用影响下溢油的扩散范围、形态及轨迹，并归纳其规律。（2）论文对VOF模型、Mixture模型、Euler模型三种多相流模型展开研究，得出VOF模型适用于处理两种及两种以上互不混合的流体，适用于描绘不发生混溶的不同流体之间的状态；Mixture模型两种及两种以上可相互渗透混合的流体，适用于沉降、分离等场合；Euler模型是最复杂的多相流模型，可处理颗粒状流动。（3）通过对海上溢油模拟仿真结果的分析，得出溢油速度、海面风速、海流速度都是溢油扩散漂移的重要影响因素。溢油速度主要影响溢油扩散范围，以及一定速度范围内会影响泄漏口附近较深层次海域；海面风速主要影响溢油扩散漂移的距离以及扩散形态，易形成长条溢油带；海流速度在一定条件下，影响泄漏口和外围的浓度，对扩散的离散程度和随机性也有一定的影响。（4）当以扩散范围为指标时，溢油速度为重要影响因素，因此在实际泄露事故发生后，要对各因素进行综合考虑后制定事故处理措施，当以漂移距离为指标时，风速为重要影响因素，因此当发生海上溢油事故时，应当着重考虑风速的影响，此外对其他因素综合考虑后制定事故处理措施。5.2展望本文在研究过程中，对海上溢油各因素影响下进行了模拟仿真研究，得到了各因素对不同评价指标影响的重要程度和主次关系，具有一定的实践价值。本文取得了一定的研究成果，但由于海洋环境的复杂多变性、计算机设备水平有限、硬件条件受限、研究能力及经历不足，本文的研究成果存在局限和不足之处，。因此，提出以下展望建议：（1）在模拟过程中，对环境及泄漏方式采取理想化处置，没有考虑实际环境以及泄漏压力等因素。（2）溢油泄漏后，未考虑到溢油蒸发、乳化、溶解等非动力过程。（3）在考虑溢油因素时，只考虑到溢油速度、海面风速、海流速度三种因素影响，未来需要考虑到泄漏口径、溢油品质、泄漏口形状、海面波浪等影响因素。（4）关于溢油危害方面，只考虑到扩散范围、漂移距离等，下一步需要对海洋动植物和水体环境等造成的危害开展预测。

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