水下溢油動力過程研究

《水下溢油動力過程研究》是依託清華大學，由牛小靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水下溢油動力過程研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：牛小靜
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

隨著海底石油開發、輸油管道建設的日益增多，水下溢油事故風險也在不斷加劇。研究水下溢油的動力過程，對及時制定有效的攔油控油措施具有重要意義。本項目旨在通過對油體從泄漏口溢出並上浮的動力過程的系統研究，提出預測海域複雜水動力環境下水下溢油上浮至海面形成浮油油膜的時間、位置和分布等的計算方法。研究內容包括：油體（團）在靜止水體、單向流、波浪等條件下的上浮運動規律及變形、分裂等細觀運動特徵；泄漏口附近油體從連續相分散成不同尺寸油團的過程和規律。研究採用數值模擬結合實驗分析的方法，數值模擬採用考慮水油界面效應的多相流體模型研究，實驗在專用小型水槽中進行。研究成果包括提出一個模擬油體在水體中運動變形的有效數值模型，系統給出油體（團）在各種水動力條件下的運動變形規律、泄漏口附近的油體分散規律以及油團群體運動特性，深入認識水下溢油上浮至海面的近域過程，為水下溢油事故應急回響的決策提供科學依據。

結題摘要

水下溢油事故中，從泄漏口噴射出來的油氣混合物以油滴、氣泡的形態從水底上浮至水面。油氣混合物在泄漏口附近的運動主要受出口動量和混合物浮力作用，遠離泄漏口的油滴和氣泡主要受環境流動的對流擴散影響，在浮力作用下上浮的同時隨流漂移。項目從細觀尺度和巨觀尺度對水下溢油動力過程開展了研究。在細觀尺度關注氣泡/油滴運動的上浮速度、運動形態和相互作用特徵，系統分析了單個氣泡/油滴在水體中上浮的速度和形態、兩個氣泡/油滴間相互作用以及氣泡/油滴群的運動。在細觀研究的基礎上，開發了一套模擬水下井噴式溢油動力過程的粒子追蹤模型，可用於巨觀尺度上水下溢油實際問題的模擬分析。該模型綜合考慮了泄漏口附近的浮射流動力以及水下油氣混合物分散成不同大小液滴對其運動歸宿的影響，與前人基於浮射流斷面積分Lagrangian控制體積方法的水下溢油模型相比，該模型可很容易地拓展到模擬泄漏油氣不同組分的運動，具有更高的靈活性。模型基於Lagrangian粒子隨機遊走，採用大量粒子代表從泄漏口釋放出來的油滴和氣泡，並根據粒子所代表的油滴或氣泡的密度、表面張力、大小等將粒子分成不同的組，每一組具有相同的特性。每個粒子的每一步運動都可以分為時均運動和隨機運動兩部分。粒子從泄漏口到水面的運動過程分為兩個階段：第一階段為射流主導階段，這時粒子位於射流主流內隨主流運動，時均流速用主流斷面平均流速近似，主流流速借鑑積分Lagrangian控制單元方法計算；第二階段為粒子浮力主導階段，這時粒子脫離主流，時均流速採用周圍流速疊加上浮速度，周圍的流場採用實測數據或者大尺度的海洋動力學模型計算。模型中還考慮了氣泡的可壓縮性和溶解特性，即深水溢油遷移擴散過程中氣泡的大小、密度隨其所處水深改變而變化。與Socolofsky et al(1999)的多相浮射流實驗室試驗和DeepSpill實地水下溢油實驗的模擬驗證表明，該模型的計算結果與試驗觀測結果吻合良好。