水下井噴油氣混合物多相浮射流研究

《水下井噴油氣混合物多相浮射流研究》是依託清華大學，由牛小靜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水下井噴油氣混合物多相浮射流研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：牛小靜
• 項目類別：面上項目

項目摘要

水下井噴事故中大量的泄漏物滯留在水體中，研究泄漏物形成的油氣多相浮射流特徵，對認識和評估滯留在水體中的溢油的規模和分布具有重要的科學價值。本項目旨在通過對油氣多相浮射流內部結構及其中物質的運移擴散規律的研究，最佳化已有的基於粒子追蹤方法的水下溢油模擬模型，以達到準確模擬水下溢油污染物運移與分布的目的。研究內容包括：油氣多相浮射流內部結構及其變化規律，以及其中油滴和氣泡在垂向密度分層、水平橫流作用下的分離特性；水下溢油泄漏物追蹤方法和深海溢油模擬系統的構建。採用精細數值模擬和實驗室試驗方法研究多相浮射流特徵，採用理論分析和實際問題模擬分析方法最佳化和完善深海溢油模擬系統。研究成果包括給出複雜油氣水下浮射流的內部結構和物質運移擴散規律，形成水下石油泄露物不同組分水下運移分布規律的預測模型。成果預期可用以預測深海水下溢油污染立體影響範圍,為水下溢油事故的污染評估和應急處置提供科學依據。

結題摘要

海底油氣的開採伴隨著水下溢油的風險。水下井噴溢油主要表現為油氣混合物形成的複雜多相浮射流，研究其特徵對認識和評估滯留在水體中的溢油規模和分布具有重要的科學價值。本項目在實驗室多相浮射流觀測、多相流精細數值模擬和實際尺度的水下溢油模擬系統等方面開展了研究。 在實驗觀測方面，搭建了一套同時獲得油氣水三相運動信息的多相浮射流實驗裝置和觀測方法。採用雷射誘導螢光技術獲得連續相（水體）的流場，採用LED紅光陣列作為背光光源獲得離散相（油滴、氣泡）的陰影圖像以觀測離散相的形態和運動。針對油滴氣泡陰影圖像開發了兩種先進的圖像處理方法，較好地解決了氣泡油滴識別、氣泡圖像重疊和形狀複雜的問題。實驗裝置和觀測方法適用於研究油氣多相浮射流的內部結構及其輸移擴散規律，對相關的多相流實驗觀測也有一定參考意義。 在多相流精細數值模擬方面，採用了大渦模擬和Euler-Euler多相流方法，在開源程式庫OpenFOAM已有的多相模組基礎上對相間作用力、溫度和濃度的對流擴散等進行了修改完善並構建數值模型，分析了均勻水體、密度分層水體環境中的多相浮射流運動特徵，討論了不同泄露油氣比例情況下多相浮射流的結構。另外，本項目基於SPH方法的基本思想提出了一個穩定性好的算法，並構建了用以分析多相流動問題的數值模型，為油氣多相流的細觀模擬分析開發了新工具。 在實際水下溢油模擬方面，開展了海洋水動力模擬模型研究，並在此基礎上完善了基於拉格朗日粒子追蹤的海底溢油模擬方法，形成了適用於深水密度分層情況的水下溢油追蹤模型，並將模型套用到2010年墨西哥灣溢油事故中，模擬結果較好地捕捉到了由於浮射流的剝離和水平擴展而產生的污染物水下滯留層，水面油膜分布也與實際觀測結果比較吻合。 本項目通過對油氣多相浮射流內部結構及其中物質的運移擴散規律的研究，最佳化已有的基於粒子追蹤方法的水下溢油模擬模型，並將其套用於溢油事故的模擬，可為水下溢油事故的污染評估和應急處置提供科學依據。