CN111339663B - 一种气动溢油屏障的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了溢油处置技术领域，具体涉及一种气动溢油屏障的设计方法，为气动屏障阻隔和富集油污的优化设计提供模型支持，从而提高其综合性能和减小能耗，同时降低研发的高成本投入和缩短周期，有利于减小溢油对海洋环境的污染。包括：a、考虑气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流对气泡的影响以及气动屏障与大气、油和水的相互作用，构建气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型；b、进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型，获取求解结果；c、用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进行验证。本发明构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型计算准确、快速、稳定，便于开展数值试验，对气动溢油屏障进行优化设计。

Description

一种气动溢油屏障的设计方法

技术领域

本发明属于溢油处置技术领域，具体涉及一种气动溢油屏障的设计方法。

背景技术

海上溢油是油气开采、运输和储存过程中的一大挑战和风险。一种有效通 用的应急措施是布放围油栏来围控油污，但当处于高海况或者拖航速度过快时， 可能导致围油栏失效。采用面源的气动屏障(气幕/气泡帘)和围油栏联用，能 够有效地提高对油污的围控效率。在相对平静的水域中，气动屏障还可以单独 使用，具有不影响通航的优点。尽管专利公开了气动溢油屏障的装置结构(比 如中国专利CN 104652388 B利用气幕围油的方法和装置)，但没有给出定量化 的气动溢油屏障的动力学特性。然而对于设计性能高，能耗小的气动溢油屏障， 流体力学信息至关重要。物理实验往往成本高、周期长，且很难得到全面的数 据。因此迫切需要一种能准确、快速、稳定计算去设计气动溢油屏障的数值模 拟方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种气动溢油屏障的设计方法， 为气动屏障阻隔和富集油污的优化设计提供模型支持，从而提高其综合性能和 减小能耗，同时降低研发的高成本投入和缩短周期，有利于减小溢油对海洋环 境的污染。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种气动溢油屏障的设计 方法，包括：a、考虑气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流对气泡的影响以及气 动屏障与大气、油和水的相互作用，构建气动屏障、大气、油、水四相耦合的 CFD模型；b、进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的 CFD模型，获取求解结果；c、用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进行验证。

作为进一步地优选，在所述步骤a中，大气、油、水三个连续相的瞬变流 动在欧拉坐标系下采用VOF模型描述，求解大气、油、水三相的体积分数连续 性方程和混合相的动量方程，并追踪三相间的界面，采用考虑了自由液面对湍 流阻尼的k-epsilon湍流模型闭合。

作为进一步地优选，在所述步骤a中，气动屏障中的气泡采用拉格朗日坐 标系下的力平衡方程和运动方程求解。

作为进一步地优选，所述气泡受到水施加的拖曳力和虚拟质量力，并反馈 到混合相的动量方程中，其中，拖曳力系数由Tomiyama模型获得；所述气泡受 液相湍流的影响以湍扩散力体现。

作为进一步地优选，当水深较浅时，所述气泡的密度变化可忽略不计；当 水深较深时，所述气泡的密度变化符合理想气体状态方程。

作为进一步地优选，采用Calderbank模型描述所述气泡的平衡粒径；在此 基础上，采用Laux和Johansen模型描述所述气泡的聚并和破裂过程。

作为进一步地优选，当所述气泡到达自由液面时，停止追踪。

作为进一步地优选，所述步骤b，具体包括：

b1、通过在动量方程中加入源项，实现在封闭区域内加入环境水流；

b2、划分网格，在大气、油、水的交界面处、气动屏障区域进行细化；

b3、设置边界条件和初始条件；

b4、采用瞬态、基于压力法的求解器，采用PISO算法求解所述气动屏障、 大气、油、水四相耦合的CFD模型；大气、油、水的界面追踪采用几何重构方 案。

作为进一步地优选，所述边界条件包括：围油栏和混合相之间的相对速度 以围油栏的拖航速度叠加环境水流进行设置；上边界为压力出口；开放区域的 环境水流通过设置速度入口实现；每个计算气泡中含有的气泡个数，通过输入 质量流量、设置喷入气泡的时间步长和喷入点个数来控制。

作为进一步地优选，所述初始条件包括：设置大气、油、水三相的初始分 布；设置初始压力、初始速度和初始湍流参数。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型计算准 确、快速、稳定，便于开展数值试验，对气动溢油屏障的气源配置、布放深度、 拖航速度、能对抗的环境水流等进行了优化设计，提高了气动溢油屏障的综合 性能，降低了能耗；

(2)本发明考虑了气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流的影响、密度变化， 能有效改善模型的预测准确度；

(3)本发明还考虑了气动屏障与大气、油和水的相互作用，对比物理实验 开展了验证，能够很好地模拟气动溢油屏障的动力学系统；

(4)相对于物理实验，本发明提出的数值模拟方法能够有效缩短研发周期， 降低了研发成本，有利于减小溢油对海洋环境的污染。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种气动溢油屏障的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例的三维模型；

图3是本发明实施例的网格划分示意图；

图4是本发明实施例中大气、水、油三相的初始分布，色标表示不同相， 大气为0、水为1、油为2；

图5是本发明实施例中气动屏障的气泡体积占比云图；

图6是本发明实施例的流场矢量图，色标表示x方向速度大小(m/s)；

图7是本发明实施例中大气、水、油三相达到平衡后的分布，色标表示不 同相，大气为0、水为1、油为2；

图8是本发明实施例中气动屏障在水深z方向的x方向速度剖面图，并与 实验观测的对比验证；

图中，A1-环境水流；A2-面源气动屏障的气泡发生装置；A3-代表围油 栏的挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种气动溢油屏障的设计方法，包括：考虑气动屏障中气泡 的聚并和破裂、湍流对气泡的影响以及气动屏障与大气、油和水的相互作用， 构建气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD(Computational Fluid Dynamics， 计算流体力学)模型；进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四 相耦合的CFD模型，获取求解结果；用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进 行验证。

本发明的第一步是考虑气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流对气泡的影响 以及气动屏障与大气、油和水的相互作用，构建气动屏障、大气、油、水四相 耦合的CFD模型。

大气、油、水三个连续相的瞬变流动在欧拉坐标系下采用Fluent(商用CFD 软件包)中的VOF(Volume of Fluid，流体体积)模型描述，求解大气、油、水 三相的体积分数连续性方程和混合相的动量方程，并追踪三相间的界面；采用 考虑了自由液面对湍流阻尼的k-epsilon湍流模型闭合，通过UDF(User Defined Functions，Fluent中的用户自定义函数)在湍流耗散率方程中加入源项S_damping来 实现：

式中，C_damping为模型系数；C_μ为模型经验常数，取值为0.9；k为湍动能；κ 为vonKarman(冯·卡门)系数；l_s为混合相单元到自由液面的物理距离；ε为 湍流耗散率。

气动屏障中的气泡在拉格朗日坐标系下采用DPM(Discrete phase model， 离散相模型)求解力平衡方程和运动方程。气泡的力平衡方程中包含浮力、重 力、压力梯度力；气泡还受到水施加的拖曳力和虚拟质量力，并反馈到混合相 的动量方程中以实现气泡和水的双向动量传递；升力在强烈搅拌的气动屏障中 可忽略不计；气泡之间的相互作用力忽略不计；其中，虚拟质量力的系数取为 0.5；拖曳力系数C_D由如下Tomiyama模型获得，通过UDF实现。

式中，Re为气泡的Reynolds数(雷诺数)；Eo为气泡的

数(厄缶数)。

气泡受到液相湍流的影响，在力平衡方程中以湍扩散力F_TD体现，如公式3：

式中，m_b为气泡的质量；ρ_b为气泡的密度；d_b为气泡的粒径；μ为水的动 力粘度；u'(x_b)为在气泡位置x_b的水的脉动速度，由

获得，其中ζ为正态 分布的随机数。

气泡受到液相湍流的影响，还体现在气泡的平衡粒径由气泡性质和湍流参 数决定，采用Calderbank模型计算气泡平衡粒径，在此基础上，采用Laux和 Johansen模型描述气泡的聚并和破裂过程(如公式4)，都通过UDF实现：

式中，D为微分符号；t为时间；

为气泡体积密度，由气泡的体积占比α_b和ρ_b获得，即

为气泡的平衡粒径；当

弛豫时间τ_rel由聚并时 间尺度τ_C决定；当

时，弛豫时间τ_rel由破裂时间尺度τ_B决定。

当水深较浅时，气泡密度的变化可忽略不计；当水深较深时，气泡密度的 变化符合如下理想气体状态方程，通过UDF实现：

式中，P是静水压力，由气泡所在位置的水深获得；M_b为气泡的摩尔质量； R是气体常数，取值为8.314J/(K·mol)；T是温度。

为了减少计算时间，当气泡到达自由液面时，停止追踪，通过UDF实现。

本发明第二步是进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四相 耦合的CFD模型，获取求解结果。

为了获取求解结果并验证分析本发明提出的气动溢油屏障的设计方法，选 取文献[McClimans T,Leifer I,

S H,et al.Pneumatic oil barriers:The promiseof area bubble plumes.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part M:Journal of Engineering for the Maritime Environment,2013, 227(1):22-38]中长×宽×高为9.5m×4m×2m的水槽内开展的物理实验。

如图2所示，对水槽内的气动溢油屏障进行三维建模。计算域的x、y方向 分别依据水槽的长a＝9.5m，宽b＝4m，z方向包含注水深度h＝1.35m，并扩展 到h1＝1.5m用于包含大气；150L的乳化油释放到水面上；面源气动屏障的气 泡发生装置A2布置在h2＝0.46m的深度，由5个距离0.08m的线源气泡发生装 置组成，由于实验中水深较浅，气泡密度的变化可忽略不计；一个代表围油栏 的挡板A3布置在h3＝0.4m的深度，代表围油栏的挡板A3距离面源气动屏障的 气泡发生装置A2的距离为c1＝0.15m；在水槽的一端加入与气动屏障表面流反 向的环境水流A1，随深度线性递减，在5cm水深处的水流为-0.27m/s，通过 UDF在动量方程中加入公式6所示的源项S_current实现：

式中，τ为时间尺度参数；u_current为环境水流矢量，其中，环境水流的x方 向速度

z₀为环境水流的水深，1m<z₀<1.35m；u为 混合相的速度矢量。

计算区域结构规则，采用六面体结构网格对其进行网格划分，在大气、油、 水的交界面处、气动屏障区域进行细化，垂直于气泡发生装置的xz截面的网格 见图3。

每个计算气泡中含有的气泡个数N，通过输入质量流量q、设置喷入气泡的 时间步长Δt和喷入点个数l来控制：

设置边界和初始条件如下：代表围油栏的挡板A3设置为固定壁面；上边界 为压力出口；面源气动屏障的气泡发生装置A2的总气量为0.0167m³/s，密度 1.2736kg/m³，动力粘度1.7566×10^-5Pa·s，设置为每个线源气泡发生装置通过 10个喷入点、每0.001s喷入气泡。大气、水、油的初始分布如图4所示；海水 的初始深度为1.35m，盐度为34ppt，密度1070kg/m³，动力粘度1.6674×10^-3 Pa·s；初始油膜厚度为1.5cm的油污分布在水面上，密度987kg/m³,动力粘度 6.405Pa·s。

采用瞬态、基于压力法的求解器(Pressure-based solver)，采用PISO(thePressure-Implicit with Splitting of Operator，算子分裂的压力耦合方程组的隐式方法)算法求解上述所建模型；大气、油、水的界面追踪采用几何重构方案 (GeometricReconstruction Scheme)。

本发明第三步是用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进行验证。通过对 比物理实验，对气动屏障和气动屏障对溢油的阻隔富集模拟开展验证。图5是 气动屏障的气泡体积占比云图，重现了面源气泡羽流的特征：下部各个线源分 离的射流区、上部扩散后的羽流的合并区，到达水面的自由液面交互区；由于 代表围油栏的挡板A3的阻隔作用，到达水面后的流动导向同一方向。图6是气 动溢油屏障的流场矢量图；图7为达到平衡后的三相分布；从图6和图7中可 见，油污富集到环境水流和气动屏障所形成水流的平衡处，富集后的平均油膜 厚度为6.25cm，与观测相符；相对于初始油膜厚度1.5cm，油污在气动屏障和环境水流的共同作用下，得到了很好地富集。图8中预测的气动屏障在水深z 方向的x方向速度剖面，与实验观测相符。对比结果表明，本发明的技术方案 能够很好地模拟气动溢油屏障动力学系统，可用来开展数值试验，优化设计气 动溢油屏障的气源配置、布放深度、拖航速度、能对抗的环境水流等，以提高 其综合性能，减小能耗。相对于物理实验，本发明提出的数值模拟方法能够有 效缩短研发周期，降低成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种气动溢油屏障的设计方法，其特征是，包括：

a、考虑气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流对气泡的影响以及气动屏障与大气、油和水的相互作用，构建气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型，模拟在环境水流作用下，气动屏障对溢油的围控和富集；

b、进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型，获取求解结果；

c、用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进行验证；

在所述步骤a中，大气、油、水三个连续相的瞬变流动在欧拉坐标系下采用VOF模型描述，求解大气、油、水三相的体积分数连续性方程和混合相的动量方程，并追踪三相间的界面，采用考虑了自由液面对湍流阻尼的k-epsilon湍流模型闭合，通过UDF在湍流耗散率方程中加入源项S_damping来实现：

式中，C_damping为模型系数；C_μ为模型经验常数，取值为0.9；k为湍动能；k为冯·卡门系数；l_s为混合相单元到自由液面的物理距离；e为湍流耗散率；

在所述步骤a中，气动屏障中的气泡采用拉格朗日坐标系下的力平衡方程和运动方程求解；气泡的力平衡方程中包含浮力、重力、压力梯度力；气泡还受到水施加的拖曳力和虚拟质量力，并反馈到混合相的动量方程中以实现气泡和水的双向动量传递，其中，虚拟质量力的系数取为0.5，拖曳力系数C_D由如下Tomiyama模型获得，通过UDF实现：

式中，Re为气泡的雷诺数；Eo为气泡的厄缶数；

气泡受到液相湍流的影响，在力平衡方程中以湍扩散力F_TD体现，如公式3：

式中，m_b为气泡的质量；ρ_b为气泡的密度；d_b为气泡的粒径；μ为水的动力粘度；u'(x_b)为在气泡位置x_b的水的脉动速度，由

获得，其中ζ为正态分布的随机数；

气泡受到液相湍流的影响，还体现在气泡的平衡粒径由气泡性质和湍流参数决定，采用Calderbank模型计算气泡平衡粒径，在此基础上，采用Laux和Johansen模型描述气泡的聚并和破裂过程，如公式4：

式中，D为微分符号；t为时间；

为气泡体积密度，由气泡的体积占比α_b和ρ_b获得，即

为气泡的平衡粒径；当

弛豫时间τ_rel由聚并时间尺度τ_C决定；当

时，弛豫时间τ_rel由破裂时间尺度τ_B决定；

所述步骤b，具体包括：

b1、通过在动量方程中加入源项S_current，实现在封闭区域内加入环境水流：

式中，S_current为动量方程中源项，τ为时间尺度参数，u_current为环境水流矢量，u为混合相的速度矢量；

b2、划分网格，在大气、油、水的交界面处、气动屏障区域进行细化；

b3、设置边界条件和初始条件；

b4、采用瞬态、基于压力法的求解器，采用PISO算法求解所述气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型；大气、油、水的界面追踪采用几何重构方案；

所述边界条件包括：围油栏和混合相之间的相对速度以围油栏的拖航速度叠加环境水流进行设置；上边界为压力出口；开放区域的环境水流通过设置速度入口实现；每个计算气泡中含有的气泡个数，通过输入质量流量、设置喷入气泡的时间步长和线源的喷入点个数来控制：

式中，N为每个计算气泡中含有的气泡个数，q为质量流量，Δt为喷入气泡的时间步长，l为线源的喷入点个数；

所述初始条件包括：设置大气、油、水三相的初始分布；设置初始压力、初始速度和初始湍流参数。

2.根据权利要求1所述的气动溢油屏障的设计方法，其特征是，当所述气泡到达自由液面时，停止追踪；当水深较浅时，所述气泡的密度变化可忽略不计；当水深较深时，所述气泡的密度变化符合理想气体状态方程。

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