急流水域新型支架结构围油栏的设计及模拟

    石宁+汤祺+陈荣昌+王奎升

    

    

    摘 要：针对围油栏在内河急流水域的溢油围控作业中，易发生倾斜而导致围控失效问题，提出了一种新型支架结构围油栏，并对其受力部件进行了受力分析及强度校核。利用Fluent数值模拟方法，研究了新型围油栏对不同粘度溢油的拦截特性。结果表明，本文研发的新型围油栏与传统围油栏相比，设计在高低粘度溢油的围控作业中，可提高围油栏失效的临界流速，并延长同等流速下的有效围控时间，可提高溢油事故应急处置的围控效果。

    关键词：围油栏；支架结构；Fluent

    中图分类号：U698.7 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）11-0040-04

    石油等大宗散货的运输主要通过水路运输完成。据不完全统计，1973年至2006年间，我国共发生海上溢油事故2635起；2009年-2012年，每年发生溢油事件4～12 起，平均每年发生溢油事件9.3起，对海洋环境造成了严重损害。而在内河，由于内河水生态环境的脆弱性，一旦发生船舶溢油事故，造成的污染损害远大于海洋，再加上内河分布有众多的饮用水取水口，事故还将造成恐慌性缺水等社会负面影响。

    围油栏是溢油事故应急中最有效和最常用的处置措施，其作用是污染物的围控拦截，或将污染物导流至易于回收的水域。围油栏结构型式的设计主要考虑海洋环境的潮流和风浪特征，而对于内河环境的急流条件则很少顾及，因此有必要根据内河急流水域特征研究新型的围油栏结构型式，以防止围油栏在急流水域的围控失效。

    1 单体和双体型式围油栏的缺陷

    目前市场上普遍使用的主要有单体围油栏和双体围油栏两种形式，两种围油栏在使用过程中都对溢油起着较大的拦截作用，但他们各自都存在缺点。单体围油栏在使用过程中受风、海浪的作用易发生倾斜，溢油会从围油栏底部逃逸或从围油栏顶部冲出；双体围油栏在使用时，从前一个围油栏溢出的油污会产生漩涡效应，两个围油栏的存在加剧了围油栏之间的漩涡效应，油滴的大量聚集会使围油栏负荷超载，从而产生夹带失效。对于双体围油栏，研究表明，当两单体围油栏间距为8倍栏高时，围油栏拦截效果良好，但存在占用水域面积大和布设难度大的缺陷。

    因此，本文将针对单体围油栏易倾斜的缺陷重点研究，提出了一种新型支架结构围油栏，使其在内河急流水域保持稳定。

    2 支架结构围油栏的设计

    支架结构是基于长江等内河急流水域的溢油需求而设计的，综合考虑长江上下游及洪水期与枯水期的流速，以围油栏正常工作可能遇到的最恶劣的水流情况进行计算，取1.5m/s为计算流速。考虑到围油栏也可能应用于受潮汐影响的河口水域，抗最大波高按2m设计。

    单个围油栏的主要组成部分为：浮体﹑裙体和配重，浮体提供浮力，配重链提供重力。本研究增加了一个新结构部件，即支架以维持围油栏在水中的稳定，如图1所示。

    实际水域中的围油栏由多个单体围油栏，通过铰链首尾相连而成，如图2所示。

    2.1 各部位材料选择

    围油栏的结构设计，不仅要考虑围油栏的结构，还要对围油栏的材料做出最佳选择，以保证围油栏的漂浮性。裙体使用PVC人造革做裙体材料，具有耐油、防水、抗老化等性质；浮体使用聚苯乙烯泡沫塑料，其闭孔结构抗水性优良，具有密度小、尺寸精度高、结构均匀等优点；支架使用5000系列铝合金（铝镁合金）作为支架的材料，具有密度低、强度高等优点；配重链的材料则根据围油栏的受力确定。

    2.2 围油栏受力分析

    围油栏的生产中，漂浮式围油栏每节长度按20m设计，是围油栏长度基本单位。本文研究设计的支架结构围油栏单节的设计长度为20m。参考“标准JT/T 465-2001《围油栏》中表1”的规定，以波高确定围油栏总高为1000mm，干舷为400mm，吃水为600mm，浮重比为8：1。

    在围油栏可以正常发挥作用时，对其进行受力分析。

    由围油栏的总受力及锚链规格可知，配重链选择锚链链径12.5mm，3.1kg/m的BM2二级无档锚链。

    2.3 围油栏强度计算

    围油栏受到水流的冲击后会出现一定程度的弯曲，如图3所示，设定围油栏两侧的切线与围油栏两侧的连线夹角为30度，此时直线长/圆弧长=0.955。

    栏体的轴线方向所受的拉力见式（5）。

    2.4 螺栓强度校核

    围油栏用到M8螺钉及M10螺栓，选择M8螺钉进行校核。

    围油栏所受的力可视为均布力，取空气与水的分界面处研究，螺钉所受应力见式（6）：

    2.5 相关尺寸计算

    浮体采用聚丙乙烯泡沫塑料为材料，密度一般为0.015-0.03g/cm3，所以，以0.02g/cm3计算浮力，配重链和支架提供重力，由围油栏总受力可选择链径12.5mm，3.1kg/m的锚链，支架以铝合金为材料，密度为2.7g/cm3。

    单节围油栏20m，以一个浮体和柔性隔为一节，假设共有20个浮体，浮体与柔性隔所占长度比为3：1，则浮体总长为15m。设浮体直径为D，则有式（8）：

    将各数值代入式（8），解得D=243.3mm 取D=300mm。

    此时，对支架进行强度校核：

    围油栏受水流的作用力可视为均匀分布其所受的应力见式（9）：

    因此，支架可承受水流和风的作用力。

    综上，围油栏单个浮体直径为300mm，长750mm，柔性隔长为250mm。每个围油栏共有20节，即20个浮体。

    围油栏裙体材料为PVC布，在水流作用下会发生变形，因此，实际的F浮1会减小很多，这时，可以认为围油栏吃水线约为600mm。

    3 围油栏的模拟

    本文对围油栏的数值模拟计算假定是在无风条件下，围油栏受到水流、波浪等因素的影响，在波浪的影响下上下运动，如果在数值模拟时将围油栏固定起来，它对波浪造成拦截作用，使浪变得更高，油会在波浪的作用下越过围油栏，这并不符合实际海况，这样会导致实验结果有误。另外，在进行拦油模拟实验时，中心处的水流流速将达到最大，围油栏呈弧形展开，考虑到水流流速在拦油模拟中起着决定性作用，因此，围油栏的中心区是本次数值模拟实验的重点。根据这种分析，可以将实际海况中的三维问题简化为二維模型。在计算过程中，油、水是不可压缩且互不相溶的，存在明显的自由界面，所以，实际上本文研究的是在二维状况下有自由界面存在的不可压缩流体的非定常流问题。

    本文研究的是二维条件下的两相非定常流，计算中油、水被认为是不可压缩的。因为油水是互不相溶的，存在明显的相界面，而数值模拟的关键部分是跟踪两相自由界面。解决这一问题的有效方法是流体体积分数法（VOF方法），它采用体积分数函数跟踪两相界面，通过求解其控制方程来求解两相的分布。

    本文采用k-ε湍流模型，PISO算法求解动量方程，流体初始状态为空气一水混合物。

    边界条件设置：分析溢油流速对拦油特性的影响，油水流进口设为速度入口，出口设为压力出口，其余设为固定壁面。

    3.1 传统围油栏的模拟

    据Delvigine的实验结果和张博、安长发等人的计算结果显示，当 u=0.24 m/s时传统围油栏发生拦油失效，而张博的模拟结果则显示是u=0.25m/s。本文的模拟条件与文[7]一致，为获得稳定的流场，本文设置在150s后再让溢油进入，设定水的流速为0.24m/s，围油栏拦油量为0.01m3/m。油不断进入水池，并在挡板前逐渐积累直至处于稳定状态，如图4所示；当水流速度是0.25m/s时，溢油在围油栏前堆积起来，当t=26.9s时，会有小部分溢油开始从栏底逃逸，如图5所示，将模拟持续到1200s，可以看出在最后一段时间内溢油不再逃逸，如图6所示；当水流速度为0.26m/s时，在t=39.5s时开始发生油滴夹带失效，如图7所示，溢油量随时间逐渐增大，不趋于稳定。

    本文对传统围油栏进行的数值模拟与Delvigine的实验结果和张博、安长发等人的模拟结果相比较，结果见表1。

    本文模拟结果与实验结果吻合，说明本文模型正确，计算方法合理有效。

    在此基础上，本文参考魏芳等人的模拟结果，利用此模型对高粘度油进行模拟，设定水流速度0.19m/s，围油栏拦油量为0.005m3/m，在t=21.6s时围油栏有少许溢油流出，继续模拟至1200s，油层在一段时间内处于稳定状态，如图8所示；当改变水流速度为0.20m/s时，围油栏在t=43.4s时发生油滴夹带失效，如图9所示。表明围油栏在高粘度油的情况下的临界失效速度是0.19m/s。

    3.2 本次设计围油栏的模拟

    本文以 Delvigine， Johnston 等人的实验和安长发、张政等人对传统围油栏做的数值模拟计算为基础， 对传统围油栏以及本次设计的围油栏的拦油性能进行数值模拟，并进行比较。在前人模拟的基础上，本文只对围油栏形状进行了改变，其余条件与上述模拟完全相同，建立二维模型如图10，水池长8m，深2m，围油栏有效深度0.6m，底部宽0.8m，顶部宽0.6m，进油口左上角顶点向下0.005m。考虑到水流的速度和密度等因素，计算区域全部用水填充。为了增加计算的速度，采用规则四边形结构网格对此物理模型进行划分。

    3.2.1 低粘度油

    低粘度油参数：密度取888kg/m3，粘度7.0×10-5m2/s。

    当水速u=0.25m/s时，油层在挡板前不断变厚直至达到稳定状态，没有油层泄露，模拟至1200s前后很长一段时间内的油水两相分布如图11所示；改变水的流速为0.26m/s，当t=43.8s时围油栏发生油滴夹带失效，如图12所示。因此在低粘度油泄露的情况下，此设计围油栏的临界失效速度为0.26m/s。

    3.2.2 高粘度油

    高粘度油参数：密度取915kg/m3，粘度3.6×10-3m2/s。

    当将溢油特性设置为高粘度油时，参考本文模型的临界水速0.20m/s，将模拟的水速分别从0.15m/s依次增加0.01m/s直至0.25m/s，围油栏都没有稳定状态，但所有水速条件下油层运动都有相似的规律，即在某一时刻后围油栏开始发生夹带失效，随着溢油的增多，溢油在围油栏前积聚并越过围油栏，直至停止进油围油栏都不能正常围控溢油。以0.19m/s为例：当水速为u=0.19m/s，t=69.1s时油层开始从围油栏底部发生小部分泄漏，如圖13所示，随着时间的增加，泄漏量不断增多，如图14所示，进油结束直至1000s的时间内，油层向围油栏后方移动，如图15所示；改变水速至0.20m/s，t=97.5s时围油栏发生油滴夹带失效，其余油水运动规律与此相同。

    3.2.3 模拟结果对比

    将本次设计的新型围油栏在高低粘度油下的临界失效速度以及发生失效所需时间与传统围油栏进行对比，如表2所示。

    由对比可知，对于低粘度溢油，本次设计的围油栏在保证与传统围油栏临界流速基本相同的情况下，可延长其发生失效的时间，为溢油事故中油的回收争取时间；对于高粘度溢油，虽然本次设计围油栏并没有模拟出失效水速，但围油栏发生失效的时间仍远长于传统围油栏，在应急时间更为重要的事故处理事件中同样具有优势。

    4 结语

    本文为改善围油栏在内河急流水域中易倾覆的情况提出了支架结构设计，并对围油栏进行了受力分析和强度校核，以保证围油栏在平静乃至急流水域的稳定性，为围油栏的设计提供借鉴；对围油栏进行Fluent数值模拟分析后发现此设计在高低粘度溢油的情况下均有相应的优势，可提高溢油应急处置的有效性。

    参考文献：

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