（环境工程专业论文）围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 围油栏是在处理海上溢油事故中一种常用的，且行之有效的设备。但是由于 受风、波浪和水流等因素的影响，经常会导致所拦截的油从围油栏栏下流走，从 而发生拦油失效。本文使用商用计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简 称c f d ) 软件f l u e n t 下的v o f ( v o l u m co f f l u i d ) 方法，模拟计算了传统单体 实心围油栏的拦油失效过程，取得较合理、有效的计算结果，然后在此基础上对 其形状进行优化( 这里主要是对围油栏的裙体进行优化) ，共得到1 8 种不同类型 的围油栏。在计算条件相同的情况下，对这些优化的围油栏进行了数值模拟计算， 并对结果进行了比较以及受压和受力情况的分析，说明其自身形状对拦油效果的 影响。 双体围油栏是现在较常用的一种形式，但其栏间距是影响拦油效果的一重要 因素，于是本文针对双体围油栏栏间距该做何种取值做了进一步的研究。在前人 得出的栏间距为8 0 - 1 0 0 倍栏深的基础上，通过两种不同粘度的油的比较，来研 究在油粘度不同的基础上，栏间距对拦油效果的影响。另外一种是保持栏间距不 变，而是改变双体围油栏的组成结构，来研究其拦油效果。 现在人们对于围油栏拦油失效的数值模拟主要是基于两相流，即油一水。但 实际海面上还有风浪等因素的影响，于是本文最后一部分对空气一油一水三相同 时存在的情况进行了模拟计算。先是用c 语言编写一正弦波程序，通过用户自定 义( u s e r - d e f l n c d ，简称u d f ) 导入f l u e n t 中，以产生一正弦波，然后数值模 拟波浪作用下，围油栏拦油失效过程。 本文主要目的是期望利用数值模拟的方法，为围油栏拦油技术的改进和性能 优化提供一些合理、可靠的数据参考和改进方法。 关键词：围油栏：拦油效果；数值模拟；形状优化；多相流；波浪 英文摘要 o i lb o o m si nv a r i o u ss e as t a t e sb l o c k e do i la n ds h a p e o p t i m i z a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t d e w i n gw i t hm a r i t i m eo i ls p i l l s t h e0 i lb o o mi s ac o m m o n l yu s e da n d w e l l e s t a b l i s h e de q u i p m e n t h o w e v e r , d u et ot h ei m p a c to ft h ew i n d , w a v e sa n d c u r r e n t sa n do t h e rf a c t o r s ，w h i c ho f t e nl e dt ot h ei n t e r c e p t i o nc o l u m ne x t r a c t e do i lf r o m t h eo i lb o o mg o 。t h e r e b yo b s t r u c t i n go i lf a i l u r e u s i n gt h ev o fm e t h o do fc o m m e r c i a l c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ef l u e n t , s i m u l a t i n gt h et r a d i t i o n a l s o l i dm o n o m e ro i lb o o mi n t e r c e p t i o ni nt h ef a i l u r ep r o c e s s 。a n dm a d em o r er e a s o n a b l e a n de f f e c t i v er e s u l t s o nt h i sb a s i s o p t i m i z ei t ss h a p e ( h e r ei st oo p t i m i z et h es k i r to fo n b o o m ) ，t h e nr e c e i v eat o t a lo f1 8 d i f f e r e n tt y p e so fo i lb o o m s u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n si nt e r m so ft h e s eo p t i m i z a t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo i lb o o m s st h e r e s u l t so fc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ep r e s s u r e sa n df o r c e st oe x p l a i ni t so w ns h a p e o nt h ee f f e c to fi n t e r c e p t i o no i l n o wm o r et h a nd o u b l eo i lb o o mi sac o m m o n l yu s e df o r m b u tt h ee f f e c to ft h eo i l c o l u m ns p a c i n gi sam a j o rf a c t o ra f f e c t i n gi n t e r c e p t i o n s ot h i sp a p e r , d o u b l e c o l u m n s p a c i n go fo i lb o o md ow h a tt h ev a l u eo faf u r t h e rs t u d y o nt h eb a s i so fp r e v i o u s c o l h m ns p a c i n gt od r a wd e e pc o l u m n8 0 - 1 0 0t i m e st h ec o l u m n ，t h r o u g ht w od i f f e r e n t v i s c o s i t yo ft h eo i l w ec a l ls t u d yt h ed i f f e r e n to i lv i s c o s i t yo nt h ee f f e c t so ft h eo i i c o l u m ns p a c i n gt oi n t e r c e p t a n o t h e ri st or e m a i nt h ec o l u m ns p a c i n g , b u tt oc h a n g e t h ed i f f e r e n tc o m p o s i t i o no ft h et w ob o d i e so f d o u b l eo i lb o o m ，a n dr e s e a r c hi t se f f e c t s o fo i li n t e r c e p t i o n s n o w p e o p l ef o rt h ef a i l u r eo fo i lb o o m sb l o c k e do i li sm a i n l yb a s e do nt h e t w o p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eo i l - w a t e r h o w e v e r , t h e r ea r e s e aw i n d , w a v e sa n do t h e r sf a c t o r si na c t u a ls e a s ot h el a s tp a r to ft h ea i r - w a t e r - o i le x i s t e n c eo fa t h r e e p h a s es i m u l a t i o n f i r s t ，u s i n gag i n u s o i d a lcl a n g u a g ep r o c e d u r ei n t of l u e n t 一 垂塞塑墨 t h r o u g hu s e r - d e f i n e d ( u d f ) ，s oa st op r o d u c eas i n ew a v e ，t h e ns i m u l a t et h eo i l i n t e r c e p t i o no fo i lb o o mu n d e rt h ew a v e t h em a i np u r p o s eo ft h i s p a p e ri se x p e c t e dt ou s et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a p p r o a c hf o ro i lb o o mi n t e r c e p t i o np e r f o r m a n c ea n do p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g y t o i m p r o v ea n dp r o v i d es o m er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l er e f e r e n c ed a t aa n di m p r o v e d m e t h o d s k e yw o r d s ：o i lb o o m ；o 订i n t e r c e p t i o n s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：s h a p e o p t i m i z a t i o n ；m u l t i p h a s ef l o w ；w a v e s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：国迪拦奎玺弛筮猛工拦渔筮墨塑彪丛选焦敛筮鱼送垫：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 己经公开发表或朱公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：黝_ 2 唧年弓月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 榉雠娟再篡烈一彬 不保密酣( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：垄缸诗 导师签名： 日期：一2 年予月 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 第1 章绪论 1 1 围油栏研制的历史 1 1 1 围油栏研制的背景 随着石油及其应用领域的飞速发展，海洋石油运输迅速增长，特别是巨型油 轮的增长，增加了海上石油污染的风险。据统计【l l ，全世界每年约有1 o 次的油 轮( 以艘记) 发生搁浅、碰撞或触礁等海损事故。因装卸设备发生故障、损坏或 操作失误等造成的漏油约占总装卸量的万分之一此外，每年混在压仓水中排入 海洋的油高达7 0 万吨，通过船底污水排入海洋的油约达1 0 万吨之多。根据美国 国家调查委员会的报创2 】，近些年，每年由于油船事故，流入海洋的原油量估计 高达3 0 - 4 0 万吨，这些均造成了严重的水域污染，导致严重的环境问题。近年来 重大溢油事故更是频繁发生。如2 0 0 2 年1 1 月1 3 日满载7 7 万吨燃料油的“威望 号”油轮在西班牙加利西亚海域遭到8 级风暴，失去控制后搁浅，船体裂开一个 3 5 米长的大裂口，燃料油大量外泄。8 天后，船只解体沉没，数千吨的燃料油源 源不断地从沉船中涌出，形成一条5 公里宽，3 7 公里长的污染带，一眼望去海面 上一片乌黑。而且泄漏的燃料油已经漂浮到加利西亚省长达2 5 0 公里的海岸上， 由于燃料油入海后蒸发、挥发和溶解的很少，一旦上岸，可以堆积到半米至一米 厚，这会让许多海洋生物因缺氧窒息而死，同时会给周边一些海洋渔业、特别是 贝类以及养殖业带来毁灭性打击。燃料油随着海风吹到了海滩，积聚了厚厚的一 层，对海岸生态环境也够成了严重威胁，同时又影响到了旅游业 3 , 4 1 。又如1 9 7 9 年1 月1 日，一艘油轮在丹麦c a l u n d b o r g 外面搁浅，船底损坏，约6 0 0 吨重燃油 溢出，当时有大量浮冰，不能就地回收溢油。后来使用2 0 0 米围油栏，以每小时 6 0 0 米的速度拖栏，将冰和油从溢油点拖到三英里外的c a l u n d b o r g ，把约8 0 0 吨 冰和油放到炼油池中，冰溶化后，约4 0 0 吨油被回收1 5 , 6 1 。正因为围油栏在溢油事 故中能及时、有效地控制溢油，而且不会产生附加污染，所以使用围油栏拦油一 直是国际上最常用的手段。 第1 章绪论 围油栏的研制始于2 0 世纪5 0 年代或更早一些。最初围油栏的使用被看作是 紧急情况下的急救措施，结构形式比较简单，主要配备于炼油厂、储油基地等场 所。围油栏作为有效的防污器材之一面真正引起人们的重视是6 0 年代末，7 0 年 代初。这是因为进入6 0 年代后，随着世界石油化学工业的大发展，油船海上原油 泄漏事故频剔。为防止海上溢油事故给海洋生态环境带来的危害，日本开始研 制开发防止海上原油扩散的栏油栅，又称为围浊栏川。它作为防治海上油污扩散， 缩小油污面积，配合油回收船等回收海面溢油是行之有效的设备。而且，围油栏 围拢溢油时应用快捷、方便，不会产生二次污染。因此，随着溢油事故造成石油 污染的日益严重性，人们对围油栏在溢油事故中的作用就更加重视，并对高性能 围油栏开展了更深入、更广泛地研制。 1 1 2 围油栏释义 围油栏在欧美被称之为o i lb o o m ，又称为油障( o i lb a r r i e r ) ，日本称之为栏 油栅( 才lj r - 7 y 天) ，是一种用于防止水域溢油扩散、缩小溢油面积、便于 清除溢油及保护水域环境的设备嗍。 1 2 围油栏的特性、分类及结构 1 2 1 围油栏应具有的特性 普通的围油栏应有一定的拦油能力，这包括良好的乘波性，一定的抗风、抗 波浪和抗水流能力。另外还应具有使用方便、坚固耐用、易于维修以及海生生物 不易附着等性能1 9 】。 优质的围油栏还应当具有以下特性f 1 0 1 2 1 ：易于展开和回收；高浮沉比率；良 好的静力学和动力学稳定性；良好的流体力学特性；密实，不阻塞；易于水洗；其 结合部件能抗紫外线和抗水解；抗磨损；抗穿刺和抗油。此外，围油栏还应能够 应付由于作业环境造成的结构上的加载。 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 1 2 2 围油栏的分类 由于围油栏的种类繁杂，至今尚无统一分类。目前，我国相关部门使用的围 油栏，按其使用性能可分为：普通型围油栏和防火型围油栏。其中，普通型围油 栏又可分为充气式和固体浮子式【1 ，1 1 l 。 国外在继续使用固体充气式围油栏的同时还不断开发使用具有拦截吸附等多 种功能的吸附式围油栏，化学围油栏，网状系统围油栏等1 2 1 。 1 2 3 围油栏的一般结构 围油栏除特殊的外，一般主要由浮体、裙体和重物等部件组成( 图1 1 ) 。 浮体也称为浮子，主要起浮力作用，它的上半部飘浮于海面。裙体在水下形成一 道屏壁，高度一般为3 0 0 - 7 0 0 r a m ，最高可达1 0 0 0 - 2 0 0 0 m m ，其作用是防止油污 从下面流走。重物垂于裙体之下，主要起保持平衡作用1 1 , 1 0 l 。 裙体 图1 1 围油栏的一般结构 f i g 1 1 功eg e n e r a s t r u c t u r eo ft h eo nb o o m 1 2 4 围油栏的适用性 通过对我国相关部门围油栏使用情况及使用类型1 1 3 】的分析可知：1 ) 材料的 选取对围油栏性能是有影响的，例如帆布质地的围油栏在水流表面压力作用下容 易发生变形，这样就降低了围油栏的稳定性和拦油效果【1 4 1 。2 ) 随着围油栏吃水 深度的增加，其抗风、抗波浪和抗水流能力都在提高，随之拦油能力也在增强； 第1 章绪论 但起固定作用的重物的重量也在增加，因为只有这样才能使围油栏更好地沉入水 中，而不漂浮起来。围油栏重量的增大，将会增加船只拖拽围油栏时的阻力；而 且，在重量增加的同时也加大了围油栏布设的难度，这样不利于及时、快速地收 放围油栏，极有可能延误拦油的最佳时机。 浮子的结构对围油栏拦油效果也有一定影响。n p v e n t i k o s 等人1 1 5 l 做过浮子 形状对围油栏拦油性能影响的对比( 表1 1 ) 。从表中虽能看到刚性浮子在抗水流 方面优于柔性和半刚性浮子，但在抗风及抗波浪方面却处于劣势，这与c m l e e 和i c h k a n g 的实验【1 4 】是相符合的，即围油栏的浮子为圆柱形时其拦油效果会更 好。这是因为矩形浮子与裙体之闯没有设置铰链，浮子与裙体就不能灵活转动， 所以不能很好地适应各种海上水文环境。 表1 1 浮子形状对围油栏的影响1 1 5 1 t a b 1 1t h ef l o a t - s h a p ec o l u m no nt h ei m p a c to ft h eo i lb o o m 因风浪、水流等的影响，传统单一结构的围油栏在某些恶劣海况下不能很好 地发挥作用，实验f 1 7 , 1 s 也表明只是一味地增加围油栏栏深，虽然能改善拦油效果， 但水流及波浪容易使围油栏发生形变，从而使围油栏的有效栏深减小。于是k e 【1 4 l 及j m l o 等人1 1 9 l 提出了双体围油栏( 即一前一后布置两道围油栏) 拦油。而且 l e e 等人【2 1 】用拉格朗日粒子追踪法，得到双体围油栏的栏间距为8 o 倍左右的栏 深时，其拦油效果较好。 - 4 - 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 图1 2 柔性围油栏 f i g 1 2t h ef l e x m l er a m pb o o ms y s t e m 图1 3 正弦波围油栏 f i g 1 3t h es i n u s o i d a lb o o m 图1 4 有垂体的正弦波围油栏 f i g 1 4t h es i n u s o i d a lb o o mw i t hv e r t i c a lc a s c a d e 图1 5 多重正弦波围油栏 f i g 1 5f l a p p i n gm u l t i p l ev e r t i c a lc a s c a d eb o o m k - f v w o n g 和e b a r i n 等人【2 2 捌在敞开式水渠中做过一种柔性围油栏系统如 图1 2 所示，前面是倾斜的围油栏，后面跟着3 组传统围油栏。倾斜围油栏的锾 第1 章绪论 体由柔韧性材料制成，并与它上面的浮子连接着，其目的是为了能够使裙体偏移 并形成一定的角度，来引导油一水流动的方向，当进入油收集范围区域后，油一 水速度得以降低，从而使后面的围油栏能更有效地拦油。 k - e v w o n g 等人俐在敞开式水渠中还做过正弦波( 或余弦波，图1 3 ) 围油 栏的拦油实验。因其没有垂直的屏壁，所以容易受风浪、水流影响而使围油栏离 开水面。于是在此基础上又傲了其它两种模型的实验，一种是在正弦波( 或余弦 波) 围油栏下加一垂直屏壁( 图1 4 ) ，这样就可避免上一模型出现的问题，另一 种设计是机翼型，即具有多重垂直屏壁的围油栏( 图1 5 ) ，但这两种设计也没有 起到较好的拦油效果。 由此可见，围油栏的外部结构过于复杂，也不利于它在海上水文环境中的应 用。 1 3 数值模拟在高性能围油栏设计中的应用 随着科技进步，人们对风、波浪、水流的研究均得到了提高，同时伴随着计 算机时代的来临，人们可以不再单靠实验来检验围油栏的性能，而是通过运用计 算机进行数值模拟来研究围油栏，使得效率与效益均得到大幅度提升。 h m b r o w n ，c f a n 等人【蓐2 7 1 成功模拟了围油栏的拦油失效问题。张政等人i 冽 采用v o f 模型对围油栏相关性能进行了模拟，其结果定性上与d e l v i g i n e 等人【2 9 1 的实验结果符合得很好，既模拟出了油滴夹带失效和临界累积失效( 粘度很大的 油类在水流速度超过临界值时发生的累积失效现象) ，也得出了低粘度油发生的 “反射”现象；但在定量上模拟计算得出的水流速度要高于实验值，同时并指出 模拟中出现的误差可能是由于没有加入湍流模型所致，所以建议在今后的工作中 应引入湍流模型，增加数值模拟计算的精确度。e j c l a v e l l e 和r d r o o w e 3 0 l 采用 了s o l a v o f 程序对某一重油的拦油失效问题进行了数值模拟，结果表明与 d e l v i g i n e 等人1 2 9 1 的实验结果一致。宁成浩 5 1 较成功地模拟了不同粘度的油在不同 条件下的失效问题。以上虽均是对单体围油栏进行的数值模拟，但都说明了数值 模拟方法能很好地应用到围油栏的设计当中。 一6 - 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 现实中数值模拟方法在高性能围油栏的设计当中也得到了应用，如前面所提 及的双体围油栏，宁成浩1 5 】也进行了数值模拟与研究，在单体围油栏的基础上模 拟了三种尺寸下a = 4 。0 d ，a l = 8 0 d ，以及l = 1 6 0 d ( a l 表示两道围油栏 之间的距离；d 表示栏深) ，其中前、后围油栏的尺寸相同。不论是低粘度油， 还是高粘度油，在与单体围油栏保持相同计算条件下，双体围油栏的临界失效速 度要比传统单体围油栏高得多。而且通过模拟计算得出：a 己的大小对拦油失效的 影响很大，即越过大或过小均不能很好地体现双体围油栏的优越性，而且还与油 量q 关系紧密；并从中分析出双体围油栏栏问距a l 存在一较佳值即a l = 8 0 d 左 右，而且l 黯等人1 1 4 2 1 】的实验和数值模拟计算结果，也证明了双体围油栏的栏间 距为8 0 倍左右的栏深时，油才能更好地被困在两道围油栏之间的区域内，这说 明了数值模拟的准确性。 双体围油栏容易发生油滴夹带失效现象，并且，在实际拦油过程中，船只拖 动围油栏的阻力会变得很大，操作起来比较困难【5 , 1 4 1 。于是，出现了一种网一栅 结构的围油栏，它由前网、底网和传统单体实心围油栏组成。这种围油栏的拦油 原理与双体围油栏截然不同，它是利用前网来减小单体围油栏栏前油一水的相对 速度，底网用来加强拦油区的稳定性。张政等人p 1 - 3 4 1 应用数值模拟的方法对多种 网一栅结构的围油栏拦油效果进行了数值模拟，其中把前网和底网处理成多孔介 质，使拦油失效的速度提高很多，说明网栅材料的使用对拦油效果的影响比较显 著。宁成浩【5 】也进行了网栅结构拦油效果的数值模拟，得到了与张政等人相近的 结果，进一步印证了网栅材料对拦油效果的影响，也说明了围油栏制作材料在拦 油过程中的作用，同时也表明了数值模拟在围油栏研究中已经发挥了重要作用。 1 4 本文研究的内容及意义 本文将会通过改变围油栏的形状，研究其对拦油效果的影响。另外，现在单 体实心围油栏有时不能成功拦油，于是出现了不同结构的围油栏，如双体围油栏， 虽有缺点，但相对单体围油栏而言，在溢油事故的处理中还是表现了其优势。由 于栏间距是影响双体围油栏拦油效果的一个重要因素，所以本文将对这一影响因 第1 章绪论 素做进一步的研究，同时对不同结构( 包括组成双体围油栏的两道单体围油栏的 形状不同和栏间距不同) 的双体围油栏进行数值模拟计算。由于f f a n g 和 a j j o h n s t o n l 3 5 。_ 7 i 用数值模拟的方法研究了风、波浪和水流对围油栏的影响，且与 实验吻合较好，文中将尝试用f l u e n t 软件模拟计算波浪对围油栏拦油效果的影 响。 目前，对围油栏材料、结构、性能的研究多数是在实验基础上进行的，这样 做不仅浪费了物力、财力及人力资源，还因实际条件的限制而不能很好地考虑风、 波浪和水流的影响，使围油栏的抗风浪性能不能较好地满足实际海上水文环境要 求。而数值模拟的方法既可避免在恶劣条件下进行现场实验有可能产生的危险以 及节省了各项资源，同时又可为围油栏技术的改进提供合理、可靠的数据参考和 理论依据。 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 第2 章数学模型及计算方法 2 1 数学模型及控制方程 2 1 1 模型选取 在多相流的模拟计算中，常用的有三种模型：混合模型( m i x t u r em o d e l ) ， 欧拉模型( e u l e r i a nm o d e l ) 以及v o f 模型( v o l u m eo ff l u i dm o d e l ) 。 ( 1 ) 混合模型 这是一种简化的多相流模型，用于模拟各相有不同速度的多相流，但是假定 了在短空间尺度上局部的平衡，相之间的耦合应当是很强的。它也用于模拟有强 烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。典型的应用包括沉降 ( s e d i m e n t a t i o n ) 、气旋分离器、低载荷作用下的多粒子流动、气相容积率很低 的泡状流。 ( 2 ) 欧拉模型 用以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气体、固体。与离散 相模型中e u l e d a n l a g r a n 舀a n 方案只用于离散相不同，在多相流模型中e u l e r i a n 方案用于模型中的每一相。 ( 3 ) v o f 模型 该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟 两种或三种不能混合的流体，典型的应用包括流体喷射、流体在大坝坝口的流动、 气液界面的稳态和瞬态处理等。 本文中因为空气、油和水是互不相溶的，且存在明显的相界面，而数值模拟 的关键部分是跟踪两相自由界面，因此本文中采用了v 0 f 模型。 v o f 模型简介1 3 s - 4 0 l ： 在计算域内，对数学模型的每相均引入一个变量一相体积分数f 。在离散网 格内，f 为网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积之比。在每一个 单元内，用表示单元内第g 相流体的体积分数，于是则有； 第2 章数学模型及计算方法 该单元内不含有第g 相流体 该单元内仅含有第g 相流体 该单元内包含部分第q 相流体 第4 相流体的体积分数满足连续方程： ! 笠+ u 乳。0 ( 2 1 ) a f u ：速度矢量。 在每一个控制体中，所有的相体积分数之和为1 ，即： - - 1 ( 2 2 ) q l 2 1 2 模型简化 严格地讲，围油栏拦截水面上的浮油是一个复杂的三维多相流( 空气、油和 水) 问题。在空气、油和水两两之间都存在着明显的相界面，因此要正确、有效 地反映拦油过程，须建立合理的假设，这样才能用数学手段来解释和解决围油栏 的拦油问题。 本文数值模拟计算考虑的主要有两种情况，第一种是在无风情况下，只有水 流运动时围油栏的拦油过程，于是将研究的问题简化为上界面为无摩擦力的油一 水两相流动的问题。另外，在海面上进行拦油操作时，展开的围油栏呈弧形，中 心处的水流速度最大，考虑到水流速度是拦油失效的重要影响因素，所以围油栏 中心区是模拟计算的重点，因此，可以把现实中的三维问题简化为二维问题。计 算中，油、水被认为是不可压缩的，且油水是互不相溶的，存在明显的自由界面， 所以本文第3 、4 、5 章研究的实际是二维条件下有自由界面存在的两相不可压缩 的非定常流。第二种是有波浪作用的情况，这就不单是油、水两相流的问题，而 是空气也同时存在的三相流问题。计算中，空气被认为是理想气体，于是可作为 不可压缩流体，又因为三者是互不相溶的，所以空气、油和水两两之间也存在明 显的自由界面，在三相流中水流速度仍旧是拦油失效的重要影响因素，同理，可 加以d 如如幽 m ， 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 把三维问题简化为二维问题，那么在第6 章着重研究的波浪作用下的围油栏拦油 过程实际是二维条件下有自由界面存在的三相不可压缩的非定常流。 2 1 3 控制方程 瞬时n a v i e r s t o k e s 方程，无论对层流还是湍流都是适用的。但对于湍流，如 果直接求解瞬态的控制方程，需要采用对计算机内存和速度要求很高的模拟方法， 但目前还不可能在实际工程中采用此方法工程中广为采用的方法是对瞬态n s 方程做时均处理。 流体在运动中必须满足质量守恒和动量守恒，用各物理量的时均值代替瞬时 值，那么n s 方程在笛卡尔直角坐标系中微分形式的连续方程和动量方程分别是： 连续方程( 质量守恒方程) ： 塑+ 竺。0 ( 2 3 ) 觑砂 动量方程： x 方向： p 詈+ 肛罢+ 詈- 皿一罢+ 2 磊a i a u ) + 万0t 物百a u + 罢) 】 c 2 4 ) y 方向： p 詈+ 用罢+ 詈- 马一号+ z 昙( 詈) + 面a - c 万a u + 罢) 】 c z 勋 “，t - 分别为x ，y 方向上的时均速度， 物。有效粘度，即：一盯一“+ ( 2 6 ) u ：分子粘度 以：湍动粘度，可以表示成湍流动能七和湍动耗散率的函数，即； 以- p c 。k 2 e ( 2 7 ) p ：流体微元体上的压力( 考虑了重力的压力项) ，p a 皿，且：分别表示工方向，y 方向上的体积力 第2 章数学模型及计算方法 2 1 4 湍流模型 根据流道特征尺寸和入口水流速度计算得到的雷诺数r e ，2 0 0 0 ，属于湍流流 动。而且，在港湾、河流、湖泊实际拦油过程中，流体流动确实属于湍流。因此， 本文选用标准k 一模型： k 方程： p 百o k + p u 百o k 一砉+ 詈】+ g p e ( 2 8 ) 方程。 p 詈+ 肛詈- 砉骱+ 争詈，+ 譬g g 。p 譬 c z 其中： g t - i z , z r e 卜学2 ，+ 学+ 孛o v2 ) 眈j g 是由平均速度梯度引起的湍动能露的产生项， c 。，c 1 ，c 2 。，吼，o e 均为经验常数： c 。一0 0 9 ，c j ，- 1 4 4 ，c 2 ，一1 9 2 ，吼- 1 0 ，o e 一1 3 2 1 5 壁面函数法 以上描述的是标准k e 模型，它针对充分发展的湍流才有效，所以只能用于 求解处于湍流核心区的流动，而在壁面区，流动情况变化很大，特别是在粘性底 层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，这时可采用壁面函数法( w a l l f u n c t i o n s ) ，一组半经验公式，它是将壁面上的物理量与湍流核心区内待求的未 知量直接联系起来，但必须与高r e 数k 一模型配合使用。 壁面函数法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用k 一模型求解，而在 壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求 解变量联系起来。这样，不需要对壁面区内的流动进行求解，就可直接得到与壁 面相邻控制体积的节点变量值。计算公式如下： 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 旦。1 1 n ( e a y j z 丝) ( 2 1 1 ) u 。 r 其中：蚱一( p ) 仉5 ( 2 1 2 ) 式中：是流体的时均速度，是壁面摩擦速度，l 是壁面切应力，缈，是 节点到壁面的距离，茁为k a r m a n 常数，e 是与表面粗糙度有关的常数，对于光 滑壁面r 一0 4 ，e 一9 8 。 由式2 1 0 ，2 1 1 可以计算出壁面剪切应力、壁面剪切力等变量，它们是与标 准k f 模型相配合使用的、经过大量试算得出的最优的近壁面关系，其计算公式 如下： 工方向壁面剪切应力： - p c ”w 7 气以“ ( 2 1 3 ) x 方向壁面剪切力： e - f ，彳硎 ( 2 1 4 ) y 方向的法向速度： v 一0 湍动能的体积源项： s 一( f p p c3 7 k 纠气一i ，u ) a v a y ， ( 2 1 5 ) 节点的耗散率： ，- c 3 4 k ，3 7 2 ( x a y p ) ( 2 1 6 ) 上式中4 胡为控制体积在壁面处的面积，唧为近壁面网格点处的速度，矿为 控制体p 的体积。 2 1 6 体积力 体积力口，是重力昭与表面张力e 的和。 即：b 一昭+ e ( 2 1 7 ) 式中，表面张力满足1 4 1 l ： 第2 章数学模型及计算方法 e - o k 乳。 ( 2 1 8 ) 其中：g 是重力加速度，o r 是表面张力系数，口。是水相的体积分数，k 是界 面曲率。 2 2 边界条件与初始条件 2 2 1 边界条件 1 入口边界： 假设入口边界上来流只有水平方向的速度，且速度是匀速的，但垂直方向速 度为零，即：罢。0 ， ，0 ，y 方向上的重力加速度为g = 9 8 1 m s 2 。 d f 入口边界上的湍流动能和耗散率可分别按以下公式计算： k l ，- o - 1 5 矿 ( 2 1 9 ) f i ，- o - c p 纠4 k 3 胆l ( 2 2 0 ) 其中：，为湍流强度，其计算公式如下： i - o 1 6 ( r e d 广7 8 z 为湍流长度尺度，按下式计算： ，一砬( 2 2 1 ) 式中：d 。为水力直径，l 取流道高度；经验常数：c 。= o 0 9 ，t = 0 4 。 2 上边界： 流体的上边界是与空气直接接触的自由表面，从前面的介绍中可知，在两相 流中它可被考虑成无摩擦的平板；而在三相流计算中，因为有空气存在，于是设 上边界为大气边界；边界上y 方向的速度为零，即： 叱h 一0 ； 湍流动能、耗散率和体积分数的法向梯度取值为零： 堕，0 ，丝。0 ，o f ：0 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 3 壁面： 底部边界和围油栏的表面设为无滑动边界( n o - s l i p ) 。 4 。出口边界 出口设为湍流充分发展的出口边界。 2 2 2 初始条件 在两相流的模拟计算中，根据d e l v i g e n 实验步骤以及安长发，张政等人的模 拟计算过程可知，应先获得一个相对稳定的单相水流场，然后再进行拦油失效的 实验或计算。本文进行拦油失效过程的模拟计算是以前人的实验和计算步骤为基 础，即先计算得到一较稳定的单相水流场( 因为从计算收敛角度上讲，两相流的 计算应该预想得到一个好的初场，有利于后面的模拟计算) 作为多相流计算的初 始流场，并设该时刻为初始时n t = 0 0 s 。 在三相流的模拟计算中，是在左边界做一造波板来产生一正弦波，并且油已 经平铺在围油栏前，于是在造波板开始造波这一时刻，作为该流场的初始流场， 并设此时为初始时刻f = 0 0 s 。 2 3 数值计算方法 2 3 1 常用的离散化方法 数值传热学( m t ) 又称计算传热学( c h t ) ，是指对描写流动与传熟问题 的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的- - f - j 传热学与数值方法相结合的 交叉学科。数值传热学求解问题的基本思想是：把原来杂在空间与时间坐标中连 续的物理量的场，用一系列的有限个离散点( 称节点，n o d e ) 上的值的集合来代 替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程( 称为离散 方程) 求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。 数值传热学中常用的数值方法有：有限差分法( f d m ) ，有限体积法( m ) ， 有限元法( f e m ) 以及有限分析法( f a m ) 。 ( 1 ) 有限差分法 第2 章数学模型及计算方法 有限差分法是历史上最早采用的数值方法，由于各阶导数的差分表达式可以 从t a y l o r 展开式来导出，这种方法又称建立离散方程的t a y l o r 展开法。它是将求 解区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替( 图 2 1 1 ) ，在每个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替， 从而在每个节点上形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附近一些节 点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。它的主要缺点是对复 杂区域的适应性较差以及数值解的守恒难以保证。 ( 2 ) 有限体积法 有限体积法是将所计算的区域划分成一系歹控制体积，每一控制体积都有一 个节点作代表( 图2 1 2 ) 。通过守恒型的控制方程对控制体积作积分来导出离散 方程。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数 的物理意义明确，是目前数值计算中应用最广泛的一种方法。 ( 3 ) 有限元法 有限元法是把计算域划分成一系列元体( 在二维情况下，元体多为三角形或 四边形) ，在每个元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程作积分来获得 离散方程( 图2 1 3 ) 。它的最大优点是对不规则区域的适应性好。但计算的工作 量一般较有限容积法大，而且在求解流动与换热问题时，对流项的离散处理方法 及不可压流体原始变量法求解方面没有有限容积法成熟。 ( 4 ) 有限分析法 有限分析法是陈景仁教授在1 9 8 1 年提出的。这种方法也像有限差分法，用一 系列网格线将区域离散，所不同的是每一个节点与相邻的4 个网格( - - 维) 问题 组成计算单元，即一个计算单元由一个中心点与8 个邻点组成( 图2 1 4 ) 。在计 算单元中把控制方程中的非线性局部线性化，并对该单元上未知函数的变化型线 做出假设，把所选定型线表达式中的系数和常数项用单元边界点上未知的变量值 来表示，这样该单元内的被求问题就转化为第一类边界条件下的一个定解问题， 可以找出其分析解；然后利用这一分析解，得出该单元中点及边界上8 个邻点上 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 未知值间的代数方程，此即为单元中点的离散方程。但有限分析法中的系数不像 有限体积法中那样有明确的物理意义，而且对不规则区域的适应性也较差。 n wp s 2 1 1f d m n w n w y弋 ss e n - 黑网 wi 盛翻e s n w n n 窟 wp s wss e 2 1 - 3f e g2 ，1 - 4 f a l 4 图2 1 不同数值方法区域与节点的划分 f i g 2 1r e g i o n a ln o d e sa n dt h ed e l i n e a t i o no fd i f f e r e n tn u m e r i c a lm e t h o d s 2 3 2 流场数值解法 在分离求解器中，f l u e n t 提供了解决瞬态问题的三种算法：s i m p l e 算法、 s i m p l e c 算法及p i s o 算法，这里对它们进行了如下比较： ( 1 ) s i m p l e 算法与s i m p l e c 算法的比较： 第2 章数学模型及计算方法 对于相对简单的问题( 如：没有附加模型激活的层流流动) ，其收敛性已经 被压力速度耦合所限制，通常用s i m p l e c 算法能更快得到收敛解。在s i m p l e c 算法中，压力校正亚松弛因子通常设为1 0 ，它有助于收敛。但是在有些问题中， 将压力校正松弛因子增加到1 0 可能会导致不稳定。对于这种情况，需要使用更 为保守的亚松弛或者使用s i m p l e 算法。对于包含湍流和戚附加物理模型的复杂 流动，只要用压力速度耦合做限制，s i m p l e c 算法就会提高收敛性。它通常是一 种限制收敛性的附加模拟参数，在这种情况下，s i m p l e 算法和s i m p l e c 算法 会给出相似的收敛速度。 ( 2 ) p i s o 算法： p i s o 算法原本就是为瞬态问题所建立的，是一种无迭代的瞬态计算程序。它 的精度依赖于所选区的时间步长，在预测修正过程中，压力修正与动量方程计算 所达到的精度分剐是3 & 3 ) 和4 茁) 的量级；由此可见，时间步长越小，则取得越 高的计算精度。当然它也允许使用大的时间步长，而且对于动量和压力都可以使 用亚松弛因子1 0 。而对于定常问题，p i s o 的计算效果就不会比s i m p l e 和 s i m p l e c 好。 于是本文的模拟计算是采用f l u e n t 中v o f 模型，s e g r e g a t e d 、标准k f 模 型、压力速度耦合的p i s o 算法来求解非定常状态下的湍流问题。 围油栏在多种海况下拦油效果及形状优化的数值模拟 第3 章传统围油栏的数值模拟及与文献的比较 本章将分别对两种不同粘度的油进行模拟计算，以d e l v i g i n c ，j o h n s t