趙衛(wèi)斌，盧金樹，朱哲野，劉楓琛

（浙江海洋學院海運學院，浙江舟山 316004）

模型試驗研究是目前油船水下破艙原油泄漏的主要研究手段之一。KARAFIATH與BELL[1-2]為了探討中層甲板油船和雙殼油船擱淺事故中底部破損引起意外溢油的情景，在模型試驗中考慮了船體升降運動及海流因素。指出單純的升降運動對泄漏量基本沒有影響，但結(jié)合了海流因素，則泄漏量大為增加。研究為美國海岸警衛(wèi)隊研究油船替代設計中評估不同船舶結(jié)構(gòu)的貨油泄漏概率提供了理論依據(jù)。日本YAMAGUCHI與YAMANOUCHI[3]通過實驗研究了靜水中某VLCC的1/50模型艙破損雙殼模型艙底部破損原油泄漏情景，完成了不同油艙尺寸、結(jié)構(gòu)特征和裝載條件下3種潤滑油的泄漏試驗，驗證了模型實驗中貨物性質(zhì)及泄漏條件與原型相似的重要性，指出需要模型與原型之間的幾何和動力相似。BEATTY等[4-5]針對奧利油和植物油，基于量綱分析制造了1/16的模型艙并開展了一系列模型實驗，分別探索了密度大于和小于海水的兩種油品的泄漏特征，拓展了早期NOAA對于重油的研究。大連海事大學林建國等[6]指出破艙位置、形狀大小等物理參數(shù)對船舶溢油量存在一定的影響，并通過二維泄漏實驗加以驗證。TAVAKOL[7]等完成了側(cè)面及底部破孔的泄漏模型實驗，研究了不同液艙結(jié)構(gòu)的泄漏入海量及壓載艙的捕獲原油的能力。前人雖然對水下破艙原油泄漏進行了大量研究，但多以宏觀的泄漏量、泄漏總時間為目標，較少涉及泄漏機理的研究[8-9]。本試驗以研究油船水下破艙原油泄漏過程的機理為目標，通過構(gòu)建縮尺模型以及利用壓力傳感器、液位傳感器以及攝像機等監(jiān)測手段獲取實驗數(shù)據(jù)。

1 試驗目的

綜上所述，大量文獻研究了泄漏總量并分析了多種影響因子的不同效應，關注了泄漏總量，但對泄漏動力學機理尚缺乏深入分析。因此需要進一步對泄漏過程進行瞬態(tài)分析，并根據(jù)不同階段的泄漏特征分析影響泄漏行為的具體因素，并重點從微觀角度分析整個流動過程不同階段的流動特征，尤其是壓力差泄漏與密度差泄漏過渡階段的特征。本試驗針對油船側(cè)壁水下破艙的典型情景，可以完整包含重力泄漏與體積置換泄漏兩個階段。為了重點實現(xiàn)目標，暫時不考慮海洋環(huán)境及船舶復雜結(jié)構(gòu)等因素，以便更直接地發(fā)現(xiàn)吃水、裝載狀況和油品特征（密度及粘度）等相關因子影響泄漏規(guī)律。

2 模型試驗設計

在油船發(fā)生破損時，有多種因素將會影響油品泄漏過程與結(jié)果，如風、潮汐、海浪、海流和船艙晃蕩等。然而，將所有因素考慮到如此小尺度的在試驗中來是有困難的?；诖嗽颍鶕?jù)研究靜水泄漏情景的需要，選擇油品粘度，油品初始液位高度、油艙的結(jié)構(gòu)尺寸以及破孔的位置等因素作為變量，采用模型簡化的方法進行試驗設計，并作如下假設：

（1）不考慮油船搖晃對油艙液位的影響；

（2）不考慮油船吃水變化對油品泄漏的影響；

（3）不考慮溢油事故發(fā)生后油艙結(jié)構(gòu)變化的影響；

（4）保持艙口恒定為一個大氣壓。

2.1 模型試驗的相似準則

模型尺度的油品泄漏與真實泄漏具有相同的水動力現(xiàn)象，且作用在流體質(zhì)點上的力均為靜壓力，慣性力以及粘性力。為了便于直接從模型試驗中轉(zhuǎn)化結(jié)果，模型艙和母型艙必須在幾何、運動、動力上達到最大限度的相似。

2.1.1 幾何相似

幾何相似是指流動的幾何空間相似，或模型與原型形狀相似，幾何相似是力學相似的前提。對于船舶相關的試驗，模型是按照一定的比例縮小而制成的。目前完成的原油水下泄漏模型研究中，尺度比例系數(shù)在15～50之間[1,3,5,7]?？紤]到實驗需要及成本，本項目采用了λ為30來構(gòu)建模型艙及破孔特征。

2.1.2 運動相似

當相似運動流體在相同點上具有相似的速度，則稱為運動相似。

本試驗引入比例常數(shù)λv,

針對靜水情景，υ為外流速度；g為重力加速度；h為油層高度；Hw為油艙吃水，m；ρ0為油品的密度；ρw為水的密度；下標p和m分別代表母型艙和模型艙；λ為幾何相似尺寸。

通過上式，可以確定模型艙的裝載及外部吃水條件。

2.1.3 動力相似

無論油船結(jié)構(gòu)是單殼還是雙殼，破損部位在側(cè)面還是底部發(fā)生原油泄漏時，慣性力是一項不可忽略的力，故本試驗將考慮弗洛德數(shù)。而在側(cè)面破損情景，海水與油品置換階段的原油泄漏中，粘性力是主導力，油品粘度對泄漏過程中有很大的影響，故本試驗也將考慮雷諾數(shù)。

弗洛德數(shù)是慣性力和重力之比

針對靜水情景，υ為油品泄漏速度；g為重力加速度；L為艙內(nèi)油品高度；下標p和m分別代表母型艙和模型艙。

只要滿足幾何與運動相似條件，自然滿足弗洛德相似。

雷諾數(shù)是慣性力和粘性力之比：

其中，ρ為流體密度；υ為流體速度；d為破孔直徑；μ為動力黏度系數(shù)。

2.2 試驗系統(tǒng)設計

本試驗以模型實驗的方法研究油船水下破艙原油泄漏過程的機理。為使實驗數(shù)據(jù)更加可靠，本試驗運用流體力學相似準則進行試驗用模型艙尺寸的確立和油品的選擇，且對以往油船水下破艙原油泄漏事故統(tǒng)計的基礎上進行破孔尺寸和破孔位置的設計。

2.2.1 模型艙設計

由于雙殼油船與單殼油船在泄漏過程中具有相同的泄漏機理，為了更直觀、簡潔地反應泄漏機理，本試驗采用單殼油船進行模型構(gòu)建。便于攝像機的拍攝，模型油艙由可視性較強的有機玻璃制成。模型艙考慮到試驗成本及操作方便等因素，按1/30等比例縮小某油船來構(gòu)建模型。模型艙貨艙幾何尺寸為0.6 m×0.5 m×0.5 m（長、寬、高）。

2.2.2 油品選取

考慮到同時滿足模型試驗同時滿足雷諾相似與弗洛德相似的需要，由方程(5)可知，當尺度比例系數(shù)為30時，所需模擬油品的運動粘度度為原油品運動粘度的1/165。重質(zhì)原油的動力粘度最大可達1 500-3 000 cP，相對密度一般在0.75～0.95之間，則原油的運動粘v度為一般為2 000～3 000 cSt，為了達到動力相似，試驗所用油品運動黏v度應為10-20 cSt[7]。

2.2.3 水池設計

本模型中的水池是用于提供試驗所需的水環(huán)境以及保持模型艙在每次試驗中的吃水高度恒定。為保持同一試驗中吃水高度基本恒定，設計應用少量水流進入水池將泄漏的油品排出池外并補充進入模型艙的水量，并在水池上部水面處設計若干小孔，保證上浮的油將會通過小孔排出。進入水池的水量需要動態(tài)調(diào)整，在保持吃水恒定的前提下應盡量減少。便于記錄試驗過程，水池尺寸為1 m×0.8 m×1 m（長、寬、高），由可視化較強的有機玻璃制成。

2.2.4 測量裝置的選取

為實現(xiàn)模型試驗的研究目的，須在實驗過程中觀測自由液面、油水分界面及不同泄漏階段時間分界點，需動態(tài)監(jiān)測艙內(nèi)油與水的體積等物理量，為此選取以下測量儀器。

（1）選擇精度為0.001 m的米尺用于直觀的觀測模型艙內(nèi)油品高度的變化，為減少實驗觀測誤差，分別在破孔的正面和側(cè)面均布置1把米尺。

（2）選擇量程為0～15 kPa，精度為0.5%FS的壓力傳感器用于測量模型艙底部壓力的變化，主要是為了監(jiān)測體積置換階段海水進流量及油品入海量的動態(tài)變化。為減少實驗誤差，在模型艙底部中心線的兩端分別布置2個壓力傳感器。

（3）選擇量程為0～1 m，精度為0.5%FS的液位傳感器用于實時記錄破孔以上液位高度，主要是為了監(jiān)測重力泄漏階段的油品入海量的動態(tài)變化；為減少實驗誤差，在破孔的左右兩側(cè)分別布置2個液位傳感器。

（4）高清攝像機用于直觀的記錄整個泄漏過程。為全方位的拍攝泄漏過程，破孔正面和側(cè)面分別布置一臺高清攝像機進行拍攝，主要是記錄泄漏第一階段持續(xù)時間，泄漏第二階段持續(xù)時間等關鍵節(jié)點時間，可更加直觀地反映實驗過程。

實驗系統(tǒng)如圖1所示。

2.3 試驗方案設計

在油船原油運輸實際過程中，所裝載油品的密度與粘度有較大的差別，油艙破損時破孔的大小與位置有所不同，另外包括吃水在內(nèi)的船舶狀態(tài)亦有所不同。故本試驗將對不同參數(shù)對油船水下破艙原油泄漏過程的影響進行設計。

2.3.1 油品性質(zhì)因子

由2.2.2可知，通過動力相似選取試驗用油。針對側(cè)壁破損泄漏的實際，綜合分析模擬不同階段的實驗需要，滿足動力相似條件時須同時考慮Re與Fr兩個準則數(shù)來選擇試驗油品（v）中所示油品，船用輕質(zhì)燃料油完全符合實驗要求，而植物油主要是對比于船用輕質(zhì)燃料油用來檢驗泄漏的油品密度效應。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of test system

表1 實驗用油物理性質(zhì)Physical properties of the oils in experiments

2.3.2 破孔規(guī)格因子

為了與實際情況更相符合，本試驗設計考慮到碰撞位置以及碰撞強度兩個方面。碰撞位置由距離模型艙底部0.08 m、0.15 m與0.22 m的3個直徑為0.025 m的圓形破孔分別代表破損位置位于油艙的底部、中部和上部；碰撞強度由破孔大小表示，破孔直徑為0.015 m、0.025 m與0.035 m的3個圓形破孔分別代表碰撞強度的弱、中、強。具體位置如圖2所示。

2.3.3 船舶裝載因子

考慮到實船由于裝載情況以及航行區(qū)域的不同，存在油船吃水變化。本試驗模型艙通過位于模型艙底部的調(diào)節(jié)螺母調(diào)整模型艙與水池之間高度改變模型艙吃水。

圖2 破孔布置Fig.2 Location of holes

3 試驗驗證

由于本論文的重點是對油船水下破艙原油泄漏模型試驗的機理研究，且TAVAKOLI[12]等對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，62%的溢油事故是由觸礁引起的，即溢油事故發(fā)生時破孔位于油艙底部的概率最大，故本試驗只選取離破孔底部0.08 m，破孔直徑為0.025 m的破孔為典型進行試驗。

3.1 試驗結(jié)果

為了直觀地顯示各個典型時刻的泄漏現(xiàn)象，特選取泄漏開始前、泄漏早期、泄漏進水時刻以及泄漏后期4個典型時刻作為記錄對象。具體影像如圖3所示。

從圖3可以看出，出現(xiàn)進水時刻為80 s左右，泄漏總時間為10 063 s左右，泄漏總量為0.029 07 m3，占總裝載量的23.07%。

此外有液位采集軟件測得模型艙內(nèi)破孔以上液位高度變化，如圖4所示；有壓力采集軟件測得模型艙底部壓力變化，如圖5所示。

由圖4中曲線可知，隨著時間的推移，破孔以上液位高度總體呈先下降后保持穩(wěn)定的趨勢。在80 s以前，破孔以上液位的高度急劇下降；而在80～900 s破孔以上液位的高度緩慢下降。這是由于隨著泄漏過程的發(fā)生，破孔以上液位逐漸下降導致破孔兩側(cè)壓力差逐漸減少，從而使得泄漏速度的下降，故破孔以上液位下降速度逐漸減少。

由圖5中曲線可知，模型艙底部壓力在0～900 s時逐漸下降，在900～7 200 s時緩慢上升。之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因為在0～900 s處于泄漏的第一階段，此時破孔兩側(cè)的壓力差是油品泄漏的原因；而在900～7 200 s處于泄漏的第二階段油品和外側(cè)海水的密度差是油品泄漏的原因。此外，通過傳感器數(shù)據(jù)可知，在900 s模型艙底部壓力逐漸上升，這是由于模型艙底部的油品被水所取代，由此可知900 s為進水時刻。

圖3 典型時刻模型艙內(nèi)油品的泄漏情況Fig.3 Oil leakage situation at typical time

圖4 破孔以上液位高度變化Fig.4 Oil height above the hole

圖5 模型艙底部壓力變化Fig.5 Pressure at the bottom of oil tank

4 結(jié)論

本試驗通過流體相似準則對試驗進行設計。通過高精度的壓力傳感器和液位傳感器監(jiān)測獲得了實時連續(xù)的壓力以及液位的變化數(shù)據(jù)。通過高清攝像機全程拍攝整個試驗過程，可通過視頻回放獲得直觀清晰的試驗現(xiàn)象。

[1]Naval Surface Warfare Center.Accidental oil spill due to grounding:summary of model test results[R].Ship hydromechanics department research and development report of CARDEROCK division,1992.

[2]KARAFIATH G，BELL R M.Model tests of accidental oil spill due to grounding[C]//The international conference on hydro-science and engineering,Washington,D.C.1993.

[3]YAMAGUCHI K,YAMANOUCHI H.Oil spills from the double hull model tanks[J].船舶技術(shù)研究所報告,1992,29(5):215-252.

[4]National Oceanic and Atmospheric Administration.Leaking tank experiments with orimulsionTMand canola oil[R].NOAA technical memorandum,2001.

[5]BEATTY D S,LEHR W J,LANKFORD J.Leaking tank experiments for heavy oils[C]//2001 International oil spill conference.2001:127-131.

[6]許 穎.船舶溢油過程及溢油量的精細計算的方法研究[D].大連：大連海事大學,2007.

[7]TAVAKOLI M T,AMDAHL J,LEIRA B J.Experimental investigation of oil leakage from damaged ships due to collision and grounding[J].Ocean engineering,2011,38(17/18):1 894-1 907.

[8]LU J S,GONG X W,YAN S Q,et al.Experimental and numerical study on leakage of underwater hole on an oil tanker[C]//Proceedings of the twentieth international offshore and polar engineering conference,2010:1 047-1 053.

[9]李廣平.破艙船舶溢油過程試驗研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.