基于Fluent的海洋溢油数值模拟研究
基于Ｆｌｕｅｎｔ的海洋溢油数值模拟研究
吕国录刘志萌
ｆ集关大学轮机工程学院福建厦门 ３６１０２１）
摘要针对海洋溢油扩散问题．基于Ｆｌｕｅｎｔ模拟软件，建立二维数值水槽，分析比较不同海流速度和不同含气率条件下油
气混合物的输移扩散特性。计算结果表明，海流速度越大，油滴尺寸越小，油气混合物的扩散面积相对较大；含气率越大，溢油上
升的速度越大。油气混合物的扩散面积就相对较小。此数值模拟研究可为海上溢油回收工作及环境污染防治提供参考依据。
关键词 海洋溢油 污染防治 海流速度含气率Ｆｌｕｅｎｔ
中图分类号：Ｘ５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９０６４（２０１６）０６—０３０—０３
在大力开发海上油气田的过程中．海底管道在输送油气
方面发挥了独一无二的作用．但海底管道泄漏的风险不可忽
视。水下油气泄漏对海洋渔业、水产养殖业及海洋环境将造
成致命的伤害．并会严重破坏海洋生态平衡．影响海洋生物
生存．因此对海底管道泄漏问题进行一定的研究．将为海洋
溢油的预防及溢油应急处理提供一定的参考价值 从２０世
纪７０年代起。国外已经开始对海洋溢油问题进行了系统地
研究．挪威Ｊｏｈａｎｓｅｎ等建立了ＤＥＥＰＦＬＯＷ水下溢油模型…，
并利用实验对模型进行了验证：Ｙａｐａ和Ｚｈｅｎｇ建立了一个
比较完善的三维数学模型ＣＤＯＧ来模拟水下溢油形成的浮
射流［２＿。近２ｏ年来。国内学者也积极开展了相关的研究，汪
守东在Ｙａｐａ和Ｚｈｅｎｇ的溢油模型基础上建立海底溢油的数
学模型，并首次考虑了溢油的乳化作用［， ；王晶提出了预测
海底管道由于焊接裂纹或腐蚀所形成的小孔发生溢油的模
型．对溢油在水中输移扩散的过程及影响其扩散的主要因素
进行了研究．并分析了各种因素对油滴尺寸的影响［４＿。
本文主要利用Ｆｌｕｅｎｔ软件．采用基于压力求解的ＰＩＳＯ
算法，选择ＶＯＦ模型、标准ｋ噌湍流模型来解决瞬态条件下
压力速度的耦合问题．对较深水域的海洋输油管道泄漏问题
进行数值模拟。主要研究了不同海流速度、不同含气率以及在
相同含气率不同海流速度时油气混合物在水中的输移特性．
为海洋溢油回收工作及海洋环境污染防治提供参考依据
１数学模型
为了便于阐述海洋溢油过程的机理．本文建立二维求解
模型．其基本方程包括非定常不可压黏性流体流动的连续性
方程、动量方程及湍流方程等基本控制方程．采用ＰＩＳＯ算法
解决压力与速度耦合的问题：其离散格式均采用默认设置，
油一水一气三相流动采用ＶＯＦ模型进行数值模拟计算［ 。
１．１基本控制方程
（１）连续性方程。按照质量守恒定律。在控制体内流人的
质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增
量。在直角坐标系下其微分形式为：
堕＋ｕ ＋ ＋ ：０ 试 弧 ∞ 摭
油为不可压缩均质流体，密度为常数，因此有：
＋ ＋ ：０ 升 掘 （２）动量方程。动量守恒方程，也称为Ｎ—Ｓ方程，表达式
为［６３：
ｆｐ ＝以＋ ＋ ＋警
｛ｐ ＝ｐＦｂ＋ ＋鲁＋警
【ｐ警＝以＋警＋ ＋警
式中： 、 、 分别为单位质量流体上的质量力在三个方
向的分量； 为流体内应力张量的分量。
（３）湍流模型。Ｆｌｕｅｎｔ提供的湍流模型包括：Ｓｐａｌａｒｔ—
Ａｌｌｍａｒａｓ模型、标准 模型、ＲＮＧＫ—ｓ模型等。经查阅相关
资料．本文采用标准的，ｃ—ｓ模型．其中湍动能Ｋ和湍流耗散
率８有如下形式［７１：
ｐ警＝蠹【（ ＋ ）差】＋Ｇｋ＋Ｇｂ－ｐ６一
ｐ ｄ８＝毒【（ ＋ ）差］＋Ｃ１８詈（Ｇ ＋Ｇ３ ）一ｃ２。ｐ ２
１．２ ＰＩＳＯ算法
ＰＩＳＯ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｗｉｔｈ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｏｒｓ）是压
力隐式分割算法．该算法是基于压力速度耦合关系的一种算
法。ＰＩＳＯ算法的主要思路就是将修正方程中求解阶段中的
ＳＩＭＰＬＥ和ＳＩＭＰＬＥＣ算法所需的重复计算移除．运用ＰＩＳＯ
算法．校正的速度会更加接近流体力学中的连续性和动量方
程，因此ＰＩＳＯ算法在求解瞬态问题中具有明显的优势［８］。
２数值模拟计算结果与分析
Ｇａｍｂｉｔ建立几何尺寸为２０ｍｘ２０ｍ的数值水槽．在水槽
底部距离左侧１ｍ处设置一直径为２ｃｍ的小孔作为泄漏孔．
选用四边形结构化网格；并进行边界条件设定：泄漏孔为速
度人口，速度大小为３ｍ／ｓ，方向垂直向上，左、右边界设置为
速度人口，方向垂直边界向右。大小为海流速度，泄漏孔两侧
设为壁面，其他参数保持默认。
利用Ｆｌｕｅｎｔ自带的ｐａｔｃｈ按钮将数值水槽中水深设为
１８ｍ，流体为海水，液面上方设定为空气．与大气连通。泄漏
介质设为柴油．泄漏气体选为Ｆｌｕｅｎｔ自带数据库中的甲烷
（ＣＨ ），材料属性保持默认。设置后的数值水槽如图１所示。
作者简介：吕国录（１９８９一），男，在校研究生，研究方向：船舶与海上能源装置工程。
２ｏ１６ Ｎ０
６ 餐 图１数值水槽示意图 由于泄漏孔的位
置不同．海域的海流速
度也不同．本文先选取
含气率为０．１时．分别
对海流速度为０．２ｍ／ｓ
０．２５』ｎ／ｓ、０．３ｒｉｄｓ的ｊ种 工况进行模拟．对计算
结果比较分析 再选取
海流速度为０．２ｒｎ，ｓ时．
分别对含气率为０．１、Ｏ．１５、０．２二种工况对计算结果比较分
析，为了确保计算的精确性，计算达代收敛标准为０．００１。
２．１ 不同海流速度对溢油的影响
图２是含气率为０．１，溢油速度为３ｍ／ｓ时，小同海流速
度的模拟计算得到的油一水一气三相分布图。
海穗Ｏ ２ｍ／ｓ 穗涨Ｏ ２５ ｓ 槔流Ｏ ｓ
图３不同海流速度下．油一水一气混合物的速度分布
经对比分析可知，在同一时刻，海流速度越大，溢油轨迹
与水平方向夹角变小．在海流的作用下．污染物横向扩散的
距离越远：在扩散过程中，油滴逐渐破碎，油滴越分散。从速
度分布图中可以看出．在溢油的动量作用下．随着海流速度
的增加．海水受到扰动的面积越大．部分海水运动的速度增
加。因此．海流速度越大．海底输油管道在发生泄漏时，溢油
扩散的范围越广 ２．２不同含气率的结果比较 Ｆ１ｕｅｎｔ模拟ｒ海流速度为０．２ｒｒｄｓ。ＣＨ 含量分别为０．１、
０．１５和Ｏ．２时泄漏的过程．图４为二种不同含气率时的＿＝三相
分布图
２ｏ１６．Ｎｏ７． 图４不同台气率时的油一水一气三相分布图
同一时刻．ＣＨ４含量小同时．油一水一气混合物的速度分
布如图５所示 者 ｔ串０ ｌ 苹Ｉ＇１５ 逝 ２
图５不同含气率时．油一水一气混合物速度分布图
经对比发现．在海流速度和油气泄漏速度一定时．含气
率越大．往浮力的作用下．油气混合物上升的速度越快，到达
水面的时问越短 由于天然气的密度远小丁柴油的密度．随
着ＣＨ 含量的增加．溢油的整体密度 断减小，在海流的冲
击作用下，油滴越容易破碎、分散开，油气混合物的水平输移
距离越远．这在一定程度上增加了海上溢油的同收工作难
度。
３ 结论
利用Ｆｌｕｅｎｔ软件建立数值水槽．对海底输油管道泄漏现
象进行二维三相流动的数值模拟．分析ｒ 同海流速度、小
同含气率时的泄漏现象．模拟了溢油在海水中迁移扩散特
性．为污染物的及时控制及海洋溢油的回收利用提供了更可
靠的理论依据．．通过此次模拟可以得出：
（１）海流速度不同时．泄漏物到达水面的时问几乎相同，
而且海流速度越大．溢油的水平速度分量越大。油滴之间越
分散．相同时问内泄漏物横ｒ口ｊ扩散的距离越远。因此． 同海
况也会导致较大的溢油污染范围，产生严重后果。
（２）同一海流速度下．不同含气率时，含气牢越大，泄漏
物达到水面的时间也就越短．污染物的扩散范围相对较小：
含气率越大，油滴越分散，越不利于海洋溢油的回收利用工
作。
（３）通过本文可以深入Ｊ，解复杂的海洋溢油机理过程，
为海洋溢油防治管理和海洋环境保护提供科学支持。
参考文献
１ Ｊｏｈａｎｓｅｎ。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ－Ｗａｔｅｒ Ｂｌｏｗｏｕｔ Ｍｏｄｅｌｓ． Ｍａｒｉｎｅ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００３，４７ （下转第４０页）
段，可以防患于未然。主要包含２个方面：
（１）合理选择站址位置。噪声自噪声源开始将随传播距
离的增大而逐渐衰减．因此．合理选择高压变电站站址的位
置．与敏感点保持一定距离．可有效降低高压变电站噪声对
敏感点的影响。此外，如果设计条件允许，也可考虑将高压变
电站站址布置于山丘、山谷等地点，利用天然屏障阻碍高压
变电站站内噪声对外界环境的污染
（２）优化站内设备布局。在遵循基本设计规程要求的基
础上．优化高压变电站站内设备布局．利用站内建筑阻隔噪
声传播，可有效降低高压变电站噪声影响。例如。当高压变电
站北侧存在敏感点时，可将综合控制楼、库房等建筑布置于
北侧．阻碍站内噪声传播至站外北侧敏感点。
４．２设备声源降噪措施 （１）变压器降噪。对于新建变电站，选择工艺先进的变压
器．购买具有磁致伸缩小等特点的变压器．可减小铁芯与线
圈之间可能出现的位移，降低变压器噪声：对于已经投运的
变压器，可考虑建立隔声屏，根据具体情况，采用封闭式、半
封闭式、开放式等３种样式，降低变压器噪声影响。另外，可
通过改善风扇叶片形状、选用低噪声油泵等措施降低变压器 辅助设备的噪音
（２）电抗器降噪 在设计中可通过以下措施降低高压变
电站内电抗器的噪声：使用高硬度的间隔材料、强力压实铁
芯柱、器身与油箱之间放置弹性垫减震、油箱上下端采用球
形断面。有利于减少振动及噪声。
（３）电容器降噪。可通过减小电容器元器件表面机械振
动来达到降低电容器噪音的效果，例如。可以通过改进的机
械阻尼来压紧电容器元件，提高电容器元件的纲度，此方法
可适用于钢外壳和瓷外罩的电容器
（４）导线与金具降噪。根据导线与金具的噪声产生原理，
可采取以下措施进行降噪：增加导线直径、增大导线分裂数 量、优化金具均压环设计、对耐张线夹及导线表面进行打磨
处理等等，以达到优化设备表面场强、避免尖端放电、减少电
晕现象的目的，最终降低导线与金具噪声。
（５）开关设备降噪。根据高压变电站开关设备运行实际
情况．其产生的噪声为短时脉冲噪声．峰值最多维持１０ｓ左
右，其大小取决于操作过电压．但对于高压变电站整体噪声
水平影响不大。可采取的降噪措施主要为２个方面：在确保 安全运行前提下优化开关设备切换顺序：将开关设备操作工
作安排在白天，减少夜间噪声污染。 ４．３传播途径降噪措施
通过采用具有隔声、吸声及消声等性能的材料，增加噪
声在传播途径中的能量损失．达到减少噪声污染的目的。例
如．微孔复合结构吸声屏障、渐变腔式吸声体、大孔板吸隔声
屏障、阻抗复合式通风消声器、通风消声吸隔声百叶等。此
外．还可以与当地规划管理部门沟通协调，在高压变电站围
墙四周划定噪声污染控制区．在噪声污染控制区内不得修建
医院、学校、养老院等建筑物，使敏感点与站址保持安全距
离。噪声衰减后便不会影响周边居民正常生活。 ４．４接受者降噪措施
此方案无法适用于高压变电站周边居民．仅可对高压变
电站内工作人员起到一定的保护作用。包括配戴耳罩、耳塞、
防声头盗及防护衣等。以此来降低高压变电站噪声对工作人
员的听觉、头部、胸部及心脏的影响，保护工作人员的身体健
深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟
第３０卷第６期 ２０１１年１２月 海 洋 通 报
ＭＡＲＩＮＥ ＳＣＩＥＮＣＥ ＢＵＬＬＥＴＩＮ Ｖｂ１．３０．ＮＯ．６ Ｄｅｃ．２０１１
深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟
廖国祥 ，杨建强２，高振会
（１．国家海洋环境监测中心，辽宁大连１１６０２３；２．国家海洋局北海分局， 山东青岛２６６０３３；３．国家深海基地管理中心， 山东青岛２６６０６１）
摘要：通过对溢油在深海环境中的输移过程及行为特点的分析，初步建立基于拉格朗日积分法的深海溢油模型。该模型除了能够 模拟油气混合物在真实深海环境中的＿共同输移与分离输移扩散过程，还考虑了石油溶解、气体溶解、天然气水合物形成与分解等行 为变化对溢油运动轨迹的影响。应用该模型初步数值模拟了一次实际深海溢油试验，结果表明溢油在水下的空间分布模拟结果与现 场监测数据符合较好。 关键词：深海溢油：油气混合物：输移扩散：天然气水合物；数值模拟 中图分类号：Ｘ５５ 文献标识码：Ａ 文章编号： １００１—６９３２（２０１１）０６—０７０７—０６
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｌｌｅｄ ｏｉｌ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ＬＩＡＯ Ｇｕｏ．ｘｉａｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｑｉａｎｇ２，ＧＡＯ Ｚｈｅｎ—ｈｕｉ３
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｏｃｅａｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０３３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｅｐ—Ｓｅａ Ｂａｓｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｓｐｉｌｌｅｄ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｆｌ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｏｉ１ ｓｐｉｌｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅ１ ｃａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｍｉｘｔｕｒｅ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ＣＯ—ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，ｇａｓ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｂｅｎｔ ｏｉｌ／ｇａｓ ｐｌｕｍｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｏｉｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｇａｓ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｐｉｌｌｅｄ ｏｉｌ ｗｅｒｅ ａｌＳＯ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ａｎ ａｃｔｕａｌ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｏｒｔｈ Ｓｅａ．ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐｉｌｌｅｄ ｏｉｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｌｕｍｎ ｗｅｒｅ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｄａｔａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ；ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｍｉｘｔｕｒｅ；ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究
百度文库 - 让每个人平等地提升自我
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基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究
姜涛 裴金亮 唐岱 能源学院
指导教师：陈浮
一、课题研究目的
物体出水运动是一个涉及气液两相问题的三维非定常过程。在这一过程中，物体的边界条件发生剧烈变化，同时波浪的存在，对物体边界流场的压力、流线分布也起到十分重要的影响。因此，分析波浪力对于研究水面运动体和出水物体所受应力十分关键。目前解决该问题的研究手段主要有物理模型实验与数值模拟等。物理模型实验主要是通过在波浪水槽中进行的实验来研究波浪，采用PIV实验对流场进行跟踪；数值模拟则是通过建立数值模型，通过GAMBIT、FLUENT等CFD软件来进行离散计算。数值模拟可以节约人力、物力、财力和时间，而且数值模拟可重复性好，条件易于控制，比实验更灵活，此外在海洋结构物的分析和设计中，一般来说，解析解只适用与简单几何形状或线性波浪问题，因而数值解法更有普遍意义。如果能够对高阶非线性波进行计算模拟，那么就可以用数值波浪水槽模拟各种条件下、特别是极端波况下的波浪运动特性。所以此项目将采取以数值计算为主，微型实验为辅助的方式开展。项目分析结果将对解决水下导弹发射等实际工程问题起到参考借鉴作用。
二、课题背景
用计算机模拟取代或部分取代海岸与海洋工程模型试验的设想近些年正逐渐成为现实.与物理模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析处理等方面也具有明显的优越性.关于数值波浪水池的想法由来已久[1],其实质是构建一个数值模拟平台,在该平台上赋予通常实验室中的波浪水池所具有的功能.
基于势流理论和应用边界元方法构建数值波水池的工作已有不少尝试.目前发展了以时域高阶边界元方法求解完全非线性的势流方程,例如,Kim等和Grilli等的工作.然而,结构物附近由于粘性作用而导致的各种复杂流动状况毕竟不能用势流理论来反映.此外,边界元方法在处理复杂自由水面时难免失效.
有限元软件和 FLUENT 软件在海底管道研究中的应用
有限元软件和 FLUENT 软件在海底管道研究中的应用
安利姣;马贵阳;关越;常方圆
【摘 要】有限元分析是一种现代计算的方法，其发展历程可追溯结构力学这一学科，管道受力的分析方面具有广泛应用。FLUENT 软件广泛应用在工业工程中，在石油领域有较强的市场竞争力，在管道内流体流动、热传递方面具有广泛应用。介绍有限元软件和 FLUENT 软件的基本原理，总结其在海底管道中的应用，例如海底管道管-土之间相互作用力分析，管-土-波作用力分析，海底石油管道和天然气管道泄漏的数值模拟，渗流对海底管道非稳态传热的影响，管道要停止输送时，研究其热传递。提出未来发展趋势。%Finite Element Analysis is a modern
calculation method,its development course can trace the discipline of
structural mechanics analysis,which is widely used in pipeline stress
analysis. The FLUENT software is widely used in industrial engineering,it
has strong market competitiveness ,thus its application in research on fluid
flow and heat transfer in the pipe is wide. In this article, the basic principles
of Finite Element Analysis and FLUENT softwares were introduced, and
their application in the submarine pipeline was summarized, such as
深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟 2
深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟
廖国祥;杨建强;高振会
【摘 要】通过对溢油在深海环境中的输移过程及行为特点的分析,初步建立基于拉格朗日积分法的深海溢油模型.该模型除了能够模拟油气混合物在真实深海环境中的共同输移与分离输移扩散过程,还考虑了石油溶解、气体溶解、天然气水合物形成与分解等行为变化对溢油运动轨迹的影响.应用该模型初步数值模拟了一次实际深海溢油试验,结果表明溢油在水下的空间分布模拟结果与现场监测数据符合较好.%Based on the analysis of the behaviors of oil and gas spilled in
deepwater environment, a deepwater oil spill model was developed based
on the Lagrangian integral method. The model can simulate the transport
and diffusion processes of oil and gas mixture in deepwater environment,
including the oil and gas co-transport, gas separation from a bent oil/gas
plume, etc. The behaviors of oil dissolution, gas dissolution, formation and
decomposition of gas hydrate in deepwater environment and their effects
on the movements of spilled oil were also taken into account in the model.
The model was used to simulate an actual deepwater oil spill experiment in
海上溢油数值模型研究进展
第３０卷第４期
２０１１年０８月 海 洋 通 报
ＭＡＲＩＮＥ ＳＣＩＥＮＣＥ ＢＵＬＬＥＴＩＮ Ｖ０１．３０．ＮＯ．４
Ａｕｇ．２０１１
海上溢油数值模型研究进展
牟林 ，邹和平 ，武双全 ，宋军
（１．国家海洋信息中心，天津３００１７１；２ ，李欢 ，徐玲玲２，赵如箱２
山东海事局，山东青岛２６６００２）
摘要：中国足海洋大国，近年来，海 活动持续增多，发生海上溢油事故的风险随之加大，海 溢油污染事故一［Ｌ发生，如不得 到及时控制，必将严重损害中国近海海洋环境。为了完善中国海卜溢油应急反应体系，提高中国处理重火海｝ 溢油事故的应急反应 能力，开展了海上溢油污染应急技术研究。本文综述了溢油预测模型的发展过程以及相关的研究成果，包括：溢油扩展模型、溢油 漂移模型、油粒 模型和溢油风化模型等。这为进一步开展溢油预测和溢油污染应急：亡作提供了理论依据和参考。 关键字： 海 溢油；溢油漂移模型；溢油风化模型；油粒子模型；海洋环境 中图分类号：Ｐ７３１．２ 文献标识码：Ａ 文奄编号： １００１—６９３２（２０１１）０４—０４７３—０８
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｏｃｅａｎ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ
ＭＵ Ｌｉｎ ，ＺＯＵ Ｈｅ—ｐｉｎｇ ，ＷＵ Ｓｈｕａｎｇ—ｑｕａｎ ，ＳＯＮＧ Ｊｕｎ ，ＬＩ Ｈｕａｎ ，ＸＵ Ｌｉｎｇ—ｌｉｎｇ ，
ＺＨＡＯ Ｒｕ．ｘｉａｎｇ
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｒｉｎｅ Ｄａｔａ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１７１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｓａｌｔｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｏｕｒ ａｃｔｉｖｅ ｏｃｅａｎｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｒｉｓｋｓ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｏｃｅａｎ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌｉＳ ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｅｒｉｏｕｓ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｗｈｉｃｈ ｓｅｖｅｒｅｌｙ ｄａｍａｇｅ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ａｃｃｉｄｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｎ ｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉ１ ｓｐｉｌｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｉｌ Ｓｐｉｌｌ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ。ｔｈｅ Ｏｉｌ Ｓｐｉｌｌ Ｄｒｉｆｔ Ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ Ｏｉｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ Ｏｉｌ Ｓｐｉｌｌ Ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｗｏｒｋ ｏｎ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ；ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ｄｒｉｆｔ ｍｏｄｅ１；ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ；ｏｉｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ；ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
深水油气田海底混输管道冲蚀数值模拟研究
深水油气田海底混输管道冲蚀数值模拟研究
随着海洋石油工业的开展 , 我国海上油气资源不断被成功开发且向着深水海 域稳步进军 , 海底管道作为密闭的海洋工程结构物所承担的输送重任也在持续增 加。海底管道系统与陆地管道相比 , 系统点多面广 , 海底环境较为复杂 ,检测仪器 设备应用不方便 ,检测难度大本钱较高 , 因此在海洋石油行业中 ,流体携带固体颗 粒所引起的冲蚀问题正逐步引起广泛关注。
冲蚀现象十分复杂 , 并且有许多参数不同程度地影响着冲蚀的严重性 ,例如 流体流量、含砂率、流体性质、流型、固体颗粒性质、管壁材料、管件形状等。 因此需要借助一些工程应用较强的专业软件对其进行模拟研究 , 全面分析海底管 道的冲蚀规律 ,预测出整个管道系统中最薄弱位置 ,这对提高其平安可靠性、 系统 可操作性及管道完整性管理具有深刻意义。
因此本文针对巴西某深水油气田混输管道系统 , 采用 ANSYS 16.2 Fluent
软 件进行不同工况下的仿真数值模拟 , 旨在更清晰地了解管道内流体流动状态及冲 蚀规律。软件模拟主要分为以下三个步骤 : 流体流动特性的模拟
〔包括湍流模型及 多相流模型 〕 、固体颗粒轨迹的追踪 〔离散相模型 〕及冲蚀计算。
通过冲蚀云图结果预测冲蚀速率的大小及易发生冲蚀的具体位置 , 并对管道 系统的运行工况、颗粒特性、管输介质等进行详细的冲蚀影响分析 , 同时进行敏 感性分析。最后本文还将管道冲蚀数值模拟的结果与目前世界上工程领域运用最 广泛的五种冲蚀预测模型在不同流体气液比工况、 管道出口压力工况、 砂粒质量 流量工况、砂粒直径工况下采用自编软件进行比照研究 , 为投产后的工程运行及 后续深水工程的海底混输管道工艺设计提供技术支持和理论依据
基于Fluent的水平管油水两相分散流数值模拟
第３２卷 ９期（２０１３．０９）（试验研究） 基于Ｆｌｕｅｎｔ的水平管油水两相分散流数值模拟 李琦瑰 郭贤贤 程浩 吕宇玲 中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 摘要：油水两相在管路中流动，随着流动参数和物性参数的不同会形成不同的流型，当油 水中的一相形成液滴分散到另一相中时就形成了分散流。在流动过程中，分散相液滴受到连续 相的湍流作用、泵和管道的剪切等，发生形变、聚合和破裂，液滴粒径及其分布在很大程度上 影响两相流管路的压降等流动参数。采用Ｆｌｕｅｎｔ研究了水平管内油水两相分散流动，对文献中实 验过程进行了模拟，将模拟得到的压降数据与其实验数据进行了对比，并且获得了实验中因技 术局限无法测量的油水相分布数据。 关键词：油水两相流；分散流；压降；相分布 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－６８９６．２０１３．９．０３８ 油水两相在管路中流动，随着流动参数和物性 参数的不同会形成不同的流型，当油水中的一相形 成液滴分散到另一相中时就形成了分散流。在流动 过程中，分散相液滴受到连续相的湍流作用、泵和 管道的剪切等，发生形变、聚合和破裂，液滴粒径 及其分布在很大程度上影响两相流管路的压降等流 动参数。Ｃａｒｌｏｓ采用Ｆｌｕｅｎｔ软件中双流体模型模拟 水平管油水两相分散流压降梯度，并将模拟结果与 Ｓｏｌｅｉｍａｎｉ等人…的实验数据进行对比，发现双流体 模型对于油水分散流的模拟具有较好的效果。 Ｒａｓｈｍｉ等人 用Ｆｌｕｅｎｔ软件自带的欧拉一欧拉模型 模拟水平管油水两相分散流的压降梯度、实际持液 率和相分布，通过与实验数据对比，发现流速越高 油水两相混合越充分，模拟效果越好。Ｊａｙａｗａｒｄｅｎａ 等人将水平管油水两相流四层分离流模型处理为双 重分散流模型，预测结果与其他研究者的实验数据 吻合较好。油水两相分散流是油水两相流中最重要 的流型之一，在石油＿Ｔ业中十分普遍，深入研究油 水分散流的特Ｉ生和变化规律，提高油水两相流的预 测能力，对两相流体力学理论的完善租Ｔ业生产的 安全进行都有重要的学术和应用价值。 采用Ｆｌｕｅｎｔ研究了水平管内油水两相分散流 动，对文献中实验过程进行了模拟，将模拟得到的 压降数据与其实验数据进行了对比，并且获得了实 验中因技术局限无法测量的油水相分布数据。 １ 模型建立 １．１ 问题描述 如图１所示，管道布置在水平实验台上。将油 基金论文：国家自然科学基金项目（５１ １０６１８２）资助。 水按一定比例注入储罐中混合，开启双螺杆泵，使 得油水两相在环道中不断循环。油水在泵、阀门、 管件等的作用下相互掺混，液滴不断碰撞、破裂， 最后达到稳定状态，形成了一定的粒径分布，这时 压降梯度、相分布等各项参数亦趋于稳定。对稳定 之后的水平管油水两相分散流动进行数值模拟。
海上原油泄漏问题
海上原油泄漏问题问题
摘要
本文分析了渤海水体中的行为表现，根据基本控制方程和海洋石油的物性，借助费克定律和物质守恒定律可以导出油滴在水中的扩散微分方程，因此建立起的原油在水中扩散的数学模型。采用CFD商业软件PHOENICS3.6.1对在水流恒定情况下渤海石油在海面和海下扩散的稳态情况进行数值模拟，研究表明了渤海原油扩散扩展性状的特点。可得当在静水海面上，即水流为0，水面油层形状是圆形。当水流速不为0时，水面油层形状视为椭圆形。
在漏油点被控制之前，由于油层很厚，扩展是溢油的最主要行为，可视全部为扩展过程。基于原油在海水中必受到水流、季风等影响，其扩散的形状是椭圆，可建立油膜椭圆扩散模型。在漏油点控制后，原油受到重力、季风、水流、潮汐、海浪等因素影响，其过程是原油的漂移、粉碎、蒸发和乳化过程。可建立油粒子模型，把石油模拟成油粒子云团，采用随机走动法来模拟粒子云团的扩散过程。由于每个粒子的随机运动而导致整个云团在水体中的扩散过程。通过两个阶段模型的建立，可求得渤海水面油层面积，进而以此对渤海漏油对我国环境和经济的影响作出具体评价。并对我国海洋石油管理、海洋污染防治、海洋经济等方面提出合理化建议。
关键词: 扩散; 海洋; 数值模拟，油膜椭圆扩展，油粒子模型
一．问题重述
2010年4月，英国石油公司(BP)位于渤海区域的钻井平台发生爆炸并引发大火，造成美国历史上“最严重的一次”漏油事故；壳牌公司日前承认，其位于英国北海海面上一座钻井平台也发生泄漏事故，已有200吨石油漏入北海；康菲石油公司在始于今年6月发生的两起渤海湾溢油事故中，约115立方米(约700桶)的原油渗漏到海面。海上原油泄漏事故频发，给周边甚至世界环境和经济带来了巨大的损失。因此正确估计原油扩散在海面上的形状和面积对油污的清理将有着直接意义。
请你们用数学建模方法研究解决：
⑴ 假设漏油点漏油的速度是0.01mL/s，请你们建立数学模型计算水面油膜的形状和面积(假设湖面足够大，只考虑汽油的扩散，不考虑风等其它因素)；
基于MIKE21的海洋溢油数值模拟在长江口区域的应用
基于MIKE21的海洋溢油数值模拟在长江口区域的应用
殷健，李丕学，何金林
（上海市水文总站 上海 200232）
摘要：本文介绍了溢油数值模拟的基本原理，利用MIKE21建立长江口杭州湾溢油模型，针对518溢油事故进行后评估，并通过6种不同工况的模拟研究溢油扩散的影响因子，讨论长江口区航道内船舶溢油事故对长江口青草沙水源地的潜在影响。
关键词：长江口；二维数值模拟；溢油模型；油粒子
Application of ocean oil spills numerical simulation based on
MIKE21 model in the Yangtze Estuary
LI Pi-xue1, HE Jin-lin1, YIN Jian1，
（1.Shanghai Hydrology Administration, Shanghai 200232, China）
Abstract：This paper introduces the basic principles of the oil spills simulation. Building the Yangtze
Estuary Oil Model using MIKE21, we studied the situation of the 518 oil spill accident, and the
influencing factors of the oil diffusion in the sea in six cases. In the end, we discussed potential impact
of oil spill accidents in Yangtze Estuary on Qing Cao Sha water source area.
Keywords：the Yangtze Estuary; two-dimensional numerical simulation; oil spills model; oil particle
海上平台用开排沉箱内油水两相流动分布数值模拟
海上平台用开排沉箱内油水两相流动分布数值模拟
张棣;高华;谭新越
【摘 要】开排沉箱是海上平台开式排放系统中的主要设备之一,因其简单、经济、可实施性强等优点而具有非常广阔的应用前景.应用Fluent软件,采用标准k-ε湍流模型和混合模型对沉箱内的流场进行模拟.模拟计算结果表明,采用等有效面积开口式管口可以将入口的垂直速度转化为水平速度,延长油水在沉箱内停留时间;有斜板式沉箱因流道变窄,流速增大,斜板间存在不利于油水分离的漩涡,需要合理选择斜板间距;在斜板与筒体的夹角区速度很小,称为静态区,可以延长油水停留时间,改善分离效率.%The open drainage caisson is one of main equipments in the open
drainage system of offshore platform.It has a very wide application
prospect because of its simplicity, economy and practicability.Based on the
Fluent software, the standard k-ε turbulence model and the mixed model
are used to simulate the flow field in the caisson.It is found that the equal
effective area inlet can be used to convert the vertical speed of the inlet to
the horizontal velocity and prolong the residence time of the oil and water
in the caisson.The inclined plates cause the flow channel narrow so that