静水和动水环境中水下溢油浮射流初步实验及数值模拟

为深入研究井喷和管道破损等海底事故后溢油在水下环境中的输移扩散过程，文章利用自制的组合式环形水槽（周长9.7 m、宽0.45 m、深1 m），以阿曼原油与消油剂混合物和淡水（含示踪剂）为模拟污染物，初步开展静水和动水环境中海底溢油浮射流的物理模拟实验，并应用基于拉格朗日积分方法的水下溢油浮射流模型进行数值模拟比较分析。研究结果表明:静水环境中，水下溢油浮射流主要沿喷口的垂直中心线向水面输移扩散；非均匀流动水环境中，横流速度越大，浮射流输移轨迹的弯曲程度越明显；数值模拟的浮射流轨迹总体上与实验观测结果符合较好；研究结果可为今后相关物理实验和数值模型的改进研究提供有益参考。     

“深水地平线”事故深海溢油输移扩散的数值模拟

为深入认识深海溢油输运过程和提高深海溢油事故的应急响应能力,文章以2010年墨西哥湾“深水地平线”事故为例,采用深海溢油输移扩散模型,以三维流场和海面风场为主要环境动力,数值模拟溢油深海泄漏后的浮射扩散、水体中输移扩散以及在风场和流场共同作用下在海面上输移扩散的全过程,同时模拟实施海底消油剂喷注处理措施后溢油输移轨迹和扩散范围的变化。研究结果表明：数值模拟结果与相关报道的悬浮油带实际观测结果以及美国国家海洋与大气管理局的海水异常遥感监测结果总体相符,可为更加全面和精细的深海溢油输移扩散数值模拟研究奠定良好的基础。     

南海深水井喷溢油输移扩散的数值模拟研究

文章以假设发生在南海北部深水油气勘探开发海域的1279m深水井喷溢油事故为例,采用深海溢油输移扩散模型,以2020年冬季（1月）和夏季（7月）三维流场和海面风场为主要环境动力,数值模拟研究未实施和实施海底消油剂处理情景下的溢油在海洋环境中的输移扩散全过程。模拟结果显示:不同深度的海流对溢油输移轨迹有着显著的影响;深水环...     

水下管道微孔溢油扩散特性及油滴尺寸分布

对水下油管微孔泄漏进行了有关数值模拟及实验研究。首先采用计算流体动力学(CFD)方法对微孔泄漏后的油气两相混合物的运动特性进行了数值模拟,模拟结果表明随着含气率的增大,溢油在海表面横向扩散范围逐渐增大,且其变化接近线性分布;泄漏速度对溢油羽射流形态影响较大,随着泄漏速度的增大,水下溢油羽射流的截面宽度逐渐增大,油滴上升速度较快,且油滴直径不断减小;其次,对泄漏后的油滴尺寸进行了实验测试,实验结果表明泄漏量对油滴尺寸大小有较大的影响,随着泄漏量的增大,油滴获得了更大的出流速度,形成更多更小的油滴,当泄漏量增大到一定程度时油滴逐渐趋于雾化。     

水下输油管微孔溢油的实验研究

目前大部分溢油研究都是针对大孔径泄漏进行的。文中对水下管道微孔(直径小于5 mm的孔)泄漏溢油进行了实验研究,获得了不同尺寸微孔泄漏与出流系数的关系、不同泄漏量时溢油油滴上升至水面的时间以及泄漏产生的浮羽射流的形态。实验结果表明,出流系数会随着泄漏孔孔径的增大而变大,而泄漏量的增加则会明显缩短溢油上浮至水面的时间,增大羽射流宽度。研究对水下微孔泄漏的溢油扩散提供了实验参考,为今后微孔溢油的相关研究打下基础。     

深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟

通过对溢油在深海环境中的输移过程及行为特点的分析,初步建立基于拉格朗日积分法的深海溢油模型.该模型除了能够模拟油气混合物在真实深海环境中的共同输移与分离输移扩散过程,还考虑了石油溶解、气体溶解、天然气水合物形成与分解等行为变化对溢油运动轨迹的影响.应用该模型初步数值模拟了一次实际深海溢油试验,结果表明溢油在水下的空间分...     

海上油气开发水下井喷溢油的化学分散技术研究

为有效应对海上油气开发水下井喷溢油事故,降低海底溢油对海洋环境的危害,文章通过模拟试验研究消油剂的类型、使用量和喷注位置对溢油分散效果的影响,并提出深水水下消油剂使用技术体系。研究结果表明：GM-2消油剂对原油呈现良好的分散性能,且分散效果随剂油比的增大而增强;水下喷注消油剂的使用量为溢油量的10%时即可获得良好的分散效果;在一定范围内,消油剂喷口与水下井口的水平距离对溢油分散效果的影响极小,而垂直高度对溢油分散效果的影响较大。     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

基于VOF方法的海底管道溢油扩散数值模拟研究

在海底输油管道运行过程中,管道渗漏、穿孔及破碎都会导致原油泄漏。对溢油运动的轨迹及其扩散范围作出预报可为溢油事故的处理提供及时、准确的信息,指导应急处理的正确实施。基于工程实际需求,采用有限体积法,结合k-ε紊流模型,建立了海流作用下海底输油管道溢油扩散数值模型。采用VOF方法(volume of fluid method)追踪多相流界面。首先,将数值模拟结果与Fan的实验值及Zheng和Yapa的数值结果进行了对比,验证数值模型的可靠性;其次,研究了不同原油溢出速度与环境水深对不同时刻溢油轨迹、到达海面时间、横向漂移距离与海面扩散范围的影响。研究表明:随原油溢出速度增大,溢油到达海面时间逐渐减小,溢油横向漂移距离与海面扩散范围则逐渐增大;随环境水深增大,溢油到达海面时间逐渐增大,且其变化接近线性分布。     

平直斜坡上破波带内质量输移流对污染物输移影响的数值研究

破波带内外都有质量输移流存在，其对破波带内污染物输移有怎样的影响，需要进一步深入研究。本文基于实验以及考虑质量输移流的对流扩散数学模型研究了平直斜坡上破波带内质量输移流对污染物输移影响。数学模型包括波浪模型、近岸流模型以及对流扩散模型。首先建立了破波带内污染物输移数学模型，其中波浪场基于波能守恒方程来计算，波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力模拟，污染物对流扩散方程中考虑了质量输移流的影响，并利用算例验证该数学模型。其次简要介绍了平直斜坡上破波带内污染物输移实验，并分析了污染物输移特性。连续投放污染物会形成污染带，本文分析了两种波况下不同时刻污染带与岸线夹角的变化，以及污染物在垂直岸线和沿岸线方向的输移速度，结果表明对两种波况来说在初始10-40s污染团向岸线方向输移速度分别约为0.05m/s、0.017m/s，之后速度分别减小为0.001m/s、0.011m/s。数值模拟结果与实验结果比较表明：考虑质量输移流的模拟结果与实验更为吻合。因而，通过实验以及数模研究表明破波带内质量输移流对破波带内污染物在垂直岸线方向的输移有重要影响，而对沿岸方向的输移则影响较小。     

Hydrodynamics of oil jets without and with dispersant: Experimental and numerical characterization

In this paper, we present the analysis of an underwater horizontal oil jet experimental measurement and Computational Fluid Dynamics (CFD) using the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations. Two oil subsurface releases were conducted: one with crude oil and another with crude oil premixed with dispersant at the dispersant to oil ratio (DOR) of 1:20. The jet profile was captured by a camera at moderate resolution, and the instantaneous velocity was measured by a Vectrino Profiler. The velocity components, turbulence kinetic energy, and turbulence dissipation rate from the experiment agreed well with those from the CFD simulation using the k-epsilon turbulence model. The spread angle of the jet was found to be around 21° and 24° from the experiment measurement, for oil without dispersant and oil with dispersant, respectively. The latter is close to the angle of miscible jets at 23°. The jet profile of oil with dispersant had a smaller buoyancy than that without dispersant, which is probably due to the large water entrainment for the oil with dispersant jet. The cross sections of the jet for both cases gradually became flattened with distance, as the plume turned upward.     

化学消油剂对原油乳化及微生物降解的影响

化学消油剂的使用已成为国内外海洋溢油事故应急处理的重要措施之一。本文分别从光明化学消油剂GM-8的用量、油水比及环境pH等方面,对正十四烷及原油乳化效果进行分析。结果表明, GM-8对正十四烷及原油的乳化效果较好,当化学消油剂的用量为原油的5%时,正十四烷及原油的乳化指数较高。在消油剂与原油用量比为一定值时,原油的乳化效果与海水的量几乎没有关系。环境pH对GM-8乳化原油的影响不大,乳化后的原油可以在海洋环境中稳定7 d以上。GM-8对原油的微生物降解有一定的增强作用。N/P、环境的pH以及微生物的接种量等均对乳化原油的生物降解有较大的影响。当微生物的接种量由培养基的1%增加到10%时,乳化原油的微生物降解率增加了一倍以上,达到91.6%。     

水下爆炸物羽流跟踪与定位技术仿真研究

利用主装药的化学痕迹特性,应对水下爆炸物跟踪与定位技术需求,建立了仿真模型,完成模拟 UUV 在水中环境对化学羽流追踪及源头定位的过程。所建模型可以通过更改流场信息、羽状物扩散条件等方式,形成不同形式的化学羽流,模拟出不同环境下的化学羽流运动特性。通过水中仿真实验,验证 UUV 采用追踪方法对不同环境下的化学羽流追踪和定位的有效性。     

Long-term sublethal and short-term high dose effects of physically and chemically dispersed oil on accumulation and clearance from various tissues of juvenile coho salmon, Oncorhynchus kisutch

The toxicity of crude oil and the dispersant BP1100X was tested in sea water and in each case was much less than the toxicity to fish in fresh water. Uptake of oil from water, with or without dispersant, was similar after a short exposure to 200 ppm. The oil was cleared from the fish in three weeks. A long-term exposure to oil or oil plus dispersant at a concentration of 5 ppm showed a slow accumulation but significantly above exposure levels. Thus, salmon exposed to oil in sea water can take up the hydrocarbons but appear to cleanse themselves rapidly.     

Effects of salinity and clay type on oil-mineral aggregation

Effects of salinity and clay type on the aggregation process of crude oil and clay particles (oil-mineral aggregates--OMA) were studied in the laboratory. OMA were generated by shaking various oil/clay mixtures in water at 20 degrees C and at a pre-determined energy level. Shape, median and maximum sizes, size distribution and concentration of oil droplets forming OMA were measured using epi-fluorescence microscopy. Results showed that the median and maximum sizes and the concentration of mineral-stabilized droplets increase rapidly when salinity increases from zero to a critical aggregation salinity in the range of 1.2-3.5 ppt. The magnitude of the increase of droplet size is controlled by clay type, while the increase of droplet concentration is influenced by oil type. Size distributions of oil droplets are self-similar, but their magnitudes depend on salinity and oil type. The effect of salinity on droplet size distribution is strongly influenced by clay type. Empirical relationships are derived to calculate concentration and size distribution of mineral-stabilized droplets.