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。     

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。     

南海深水区水下溢油三维可视化模拟系统研发与应用

针对南海油气田勘探开发溢油污染防治需求,开发了国内首套深水区水下溢油三维可视化模拟系统,由三维海流预报模型、深水溢油模型、三维可视化仿真系统和数据库组成。海流预报模型基于ROMS模式,通过考虑波致混合影响,并利用最优插值技术同化卫星测高资料和嵌套技术,保障了预报结果的准确性。深水溢油模型由羽流模型和对流扩散模型组成,考虑了卷吸、油气分离、溶解、水合物生成、漂移、扩散等复杂过程。系统能够预测深水区水下油气泄漏后行为和归宿过程,提供油、气、天然气水合物粒子的大小、分布、移动速度和漂移轨迹、扩散面积、水体溢油残存量、水面溢油量等三维可视化动态模拟结果。目前系统已经在油气田勘探开发中得到应用,为南海深水溢油应急提供了重要支撑。     

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。     

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。     

横流环境中水下溢油输移扩散的实验研究

文章基于自制的组合式环形水槽（周长9.7 m、宽0.45 m、深1.0 m）,分别以阿曼原油及其消油剂混合物和淡水（含示踪剂）为模拟污染物,开展水下溢油的物理模拟实验,以浮射流输移轨迹、污染物扩散范围和油滴粒径分布为考察指标,研究横流环境和消油剂的使用对水下溢油输移扩散的影响。实验结果表明:在横流环境中,浮射流输移轨迹开始弯曲的高度随着流速的增加而降低;与淡水浮射流主要在水中输移扩散的情况不同,当污染物为原油时,大粒径油滴脱离浮射流主体并上浮至水面,导致扩散范围更大;消油剂的添加会使原油浮射流内部油滴的体积中值粒径变小,油滴粒径分布曲线向小尺寸方向偏移。实验结果可为后续的物理模拟实验和数值模拟研究提供参考。     

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...     

海上溢油粒子追踪预测模型中的两种数值方法比较

在海上溢油粒子追踪预测模型中,关键的是对拉格朗日微分方程的求解。本文首先通过数值实验比较了欧拉法和龙格-库塔法求解拉格朗日溢油轨迹微分方程的优劣,然后将其应用到2005年4月3日发生在大连附近的“ARTEAGA”油轮溢油事故的油膜粒子追踪模型中。数值实验和应用结果表明,在近岸不均匀流场下,用龙格-库塔方法解拉格朗日油粒子微分方程比用欧拉法求解精度高,用龙格-库塔方法模拟“ARTEAGA”油轮轨迹及其扩散范围与实际观测更为接近,而用欧拉法模拟溢油扩散的面积偏大。     

渤海溢油三维漂移数值模拟研究

国家海洋局北海预报中心于2011年开发了渤海三维溢油模型,该模型在分析国内外溢油模型现状的基础上,借鉴当今流行的数值模拟方法,使用油粒子模型与油膜扩展模型相结合的方式,用拉格朗日方法追踪每个带有一定油量的油粒子的轨迹,针对每一个油粒子则使用油膜扩展理论计算其油膜扩展过程。该模型可实现对溢油油污上升及水平输运过程、海表面油污浓度的预报,通过三组理想试验和2012年的海上溢油实验数据,对模型的各项功能、稳定性及模型精度进行了对比验证,结果较好,模型可实现对渤海海域海底或水下发生溢油的数值模拟。该模型解决了以往二维溢油模型在模拟钻井平台及海底输油管道泄漏等溢油事故方面的不足,可更好地为溢油灾害对海洋环境影响的估计提供有效参考信息。     

释放角对水下溢油的羽流动力学特性的影响

在考虑羽流阻力的情况下,采用拉格朗日控制单元积分法建立了羽流动力学模型,并采用数值技术对水下溢油羽流动力学特性进行了模拟,详细分析了释放角对羽流运动的影响。模拟结果及分析表明,当释放方向不同时,浮力在羽流轴线上的投影分量不同。在不同的浮力分量作用下,羽流的运动轨迹及羽流速度、浓度和半径随着流程的变化会呈现不同的特点。羽流的这些运动特点可能会使得溢油到达水面的时间及位置随释放角的不同而发生变化。     

蓬莱19-3 油田事故溢油数值模拟

利用FVCOM(Finite-volume coastal ocean numerical model)数值模型和MM5风场预报模式,在对渤海海域水动力场进行数值模拟的基础上,基于"油粒子"的欧拉-拉格朗日跟踪法和随机走动原理,并考虑风对溢油油膜漂移扩散的直接作用,建立了海洋溢油油膜漂移轨迹和扩散的数值预测模型。利用建立的模型对2011年6月蓬莱19-3油田事故溢油进行了数值模拟,模拟结果与RADARSAT卫星遥感监测数据相吻合。研究结果表明:在渤海中部地区夏季事故溢油模拟预测中,风漂移因子取0.024最为合理,模型可用于渤海蓬莱19-3油田附近事故溢油轨迹和扩散的快速预报,从而为该区域的溢油事故应急响应提供科学依据。     

Three-dimensional numerical simulation for transport of oil spills in seas

This study extends previous two-dimensional research [Wang, S.D., Shen, Y.M., Zheng, Y.H., 2005. Two-dimensional numerical simulation for transport and fate of oil spills in seas. Ocean Engineering 32, 1556–1571] to three dimensions in order to investigate the vertical dispersion/motion of the spilled oil slick, which is a more realistic model of the motion of the spilled oil. To this end, a three-dimensional (3-D) model, based on the particle approach, is developed for simulating oil spill transport and fate in seas. The amount of oil released at sea is distributed among a large number of particles tracked individually. These particles are driven by a combination of water current, wave- and wind-induced speed and move in a 3-D space. Horizontal and vertical diffusion are taken into account using a random walk technique. The model simulates the most significant processes which affect the motion of oil particles, such as advection, surface spreading, evaporation, dissolution, emulsification, turbulent diffusion, the interaction of the oil particles with the shoreline, sedimentation and the temporal variations of oil viscosity, density and surface tension. In addition, the processes of hydrolysis, photo-oxidation and biodegradation are also considered in this model. The model has been applied to simulate the oil spill accident in the Bohai Sea.     

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。