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        圍油欄現(xiàn)狀與數(shù)值模擬研究綜述

        2014-04-02 01:41:26曹瑩
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年11期

        摘 要:在處理海上溢油事故中,圍油欄是一種常用設(shè)備。文章介紹了圍油欄的發(fā)展歷程,并對其特性、種類和結(jié)構(gòu)做了較為詳盡的綜述。結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,對今后圍油欄數(shù)值模擬的方向做出進(jìn)一步的分析與展望。

        關(guān)鍵詞:圍油欄;數(shù)值模擬;海上溢油

        1 引言

        海上發(fā)生石油泄漏事故時(shí),溢油會在海面形成范圍很廣的油層。一般情況下,首先必須采取措施對溢油進(jìn)行圍控,而圍油欄是不可或缺的圍控工具。圍油欄具有使用便捷、不會造成附加污染等特點(diǎn),是應(yīng)對海上溢油事故中最為有效的工具之一。

        圍油欄的研制始于20世紀(jì)30年代或更早一些。最初它僅作為應(yīng)急設(shè)備,主要配備于煉油廠、儲油基地等場所。直到上世紀(jì)六、七十年代,圍油欄才得到人們的重視,被用于防污染工作。隨著國內(nèi)外海上石油泄漏事故頻發(fā),圍油欄的作用更加凸顯,專家、學(xué)者對高性能圍油欄展開了更深入、更廣泛地研制。[1,2]

        2 圍油欄的特性、種類和結(jié)構(gòu)

        在分析圍油欄攔油性能時(shí)要綜合考慮乘波性、滯油性及抗風(fēng)抗浪性[3]。另外,堅(jiān)固耐用,使用便捷,方便維修以及海生物不易附著等性能同樣重要[4]。

        廣泛應(yīng)用的固體浮子式圍油欄組成部分有:浮子、配重和裙體。浮子為圍油欄提供了浮力。配重的作用是保證裙體能夠在水中盡量伸展并盡可能保持垂直。裙體的作用是攔截浮油。

        圍油欄種類眾多,至今尚無統(tǒng)一分類。按浮體結(jié)構(gòu)可分為:充氣式圍油欄、固體浮子式圍油欄和浮沉式圍油欄;按使用環(huán)境分類,可分為:平靜水流圍油欄、保護(hù)水域圍油欄和外海圍油欄;按其布置方式可分為:固油欄、掃油板、導(dǎo)油柵和集油器;按使用情況可分為:移動布放型圍油欄、永久布放型圍油欄和應(yīng)急型圍油欄;按包布材料可分為:橡膠圍油欄、PU圍油欄、PVC圍油欄、網(wǎng)式圍油欄和金屬或其他材料制成的金屬或其他圍油欄;按用途可分為:一般用途圍油欄和特殊用途圍油欄,例如:吸油圍油欄、防火圍油欄、岸灘式圍油欄和堰式圍油欄均為特殊用途圍油欄[5]。

        目前,我國一般按圍油欄的使用性能進(jìn)行分類:普通圍油欄(充氣式和固體浮子式[6])和防火圍油欄。

        對應(yīng)我國有關(guān)部門所采用的圍油欄分類,具體類型圍油欄的基本結(jié)構(gòu)如下:

        (1)充氣式圍油欄的結(jié)構(gòu)

        充氣式圍油欄上部設(shè)有規(guī)范的氣囊,氣囊之間一般互不相通。氣囊下面則是圍油欄的主體,它是一條內(nèi)夾纖維的耐油膠帶,并在水上和水下形成隔油屏障。充氣式圍油欄一般每100或200m為一組。

        (2)固體浮子式圍油欄的結(jié)構(gòu)

        固體浮子式圍油欄由浮子、裙體、配重、接頭、脊繩和柔性段等組件組成,一般每20m一組。圍油欄的浮子為PVC包布內(nèi)夾固體泡沫,浮子之間通過柔性段連接。

        (3)防火型圍油欄的結(jié)構(gòu)

        防火型圍油欄由水上耐火部分、水下裙體、配重鏈、縱向受力件和接頭構(gòu)成。水上耐火部分的浮體采用耐熱防銹的高合金結(jié)構(gòu)鋼浮體。柔性段采用耐熱金屬絲網(wǎng)、防火纖維編織布等材料組成,柔性段用螺栓和壓板與浮子連接。水下裙體則采用雙層高強(qiáng)度織物涂覆優(yōu)質(zhì)阻燃橡膠。配重鏈方面采用鍍鋅高強(qiáng)鏈條包覆在橡膠裙體的底部。

        Oil Spill Response Catalog為了幫助用戶在做溢油應(yīng)急計(jì)劃時(shí)選擇合適的圍油欄,對其進(jìn)行了分類[7]。

        Fence boom(柵欄式圍油欄)

        由自支持或浮體支持的加強(qiáng)件構(gòu)成的圍油欄,沒有配重鏈,隨波性能比較差。

        Curtain boom (幕式圍油欄)

        采用充氣浮腔作為浮體的圍油欄,如壓力充氣式圍油欄和自充氣式圍油欄。

        external tension boom (外張力式圍油欄)

        通過外張力件和拉索來維持圍油欄姿態(tài)并承受圍油欄拉力的圍油欄。

        Tidal seal boom (潮間帶攔油索)

        上部充氣、下部注水型式攔油索。適用于潮間帶,浮時(shí)對稱,可坐于沙灘上及伴隨潮水起落而不會傾倒。

        3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究不僅浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力,而且由于實(shí)際條件的限制,實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法與海上水文環(huán)境相比擬。隨著人們對風(fēng)、浪、流的研究逐漸深入以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的突飛猛進(jìn),人們不再依賴于實(shí)驗(yàn)來設(shè)計(jì)和測試圍油欄,而通過數(shù)值模擬的方式來研究。

        H·M·Brown、C-F.AN和R·H·Goodman等人[8,9,10]模擬了圍油欄的攔油失效問題。FANG和SELIM等人[11,12,13]模擬了風(fēng)浪流作用下圍油欄的攔油效果;FANG等人模擬實(shí)際海域固體欄板攔油效果,探討了波浪、水流對界面波的影響。在風(fēng)海流的影響下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圍油欄在海況較差時(shí)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用,而一味地增加欄深,水流和波浪會導(dǎo)致圍油欄發(fā)生形變。為此,J·M·Lo、K·H·Kang和Cho N·S等人提出了雙體圍油欄結(jié)構(gòu),并用拉格朗日粒子追蹤法驗(yàn)證出雙體圍油欄欄間距為8倍左右欄深時(shí),其攔油效果較好。

        林建國等人對圍油欄內(nèi)不均勻溢油遷移擴(kuò)散問題進(jìn)行了解析求解,并通過FLUENT模擬了水平均勻流作用下圍油欄夾帶使用失效、流失失效和臨界累積失效模式,對圍油欄也進(jìn)行了簡化且未考慮波浪的影響。張承懿等人對波流作用下圍油欄有效深度的研究填補(bǔ)了我國關(guān)于波流作用下的圍油欄相關(guān)研究的空白。

        魏芳使用VOF方法,模擬了傳統(tǒng)單體實(shí)心圍油欄的攔油失效過程,并在此基礎(chǔ)上對其形狀進(jìn)行優(yōu)化,得到18種不同類型的圍油欄。在邊界條件相同的情況下,對優(yōu)化的圍油欄分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。王緒勝等人對傳統(tǒng)型圍油欄攔油失效的原因進(jìn)行分析,提出了新型結(jié)構(gòu)——具有導(dǎo)流層結(jié)構(gòu)的圍油欄,并利用Fluent進(jìn)行了數(shù)值模擬。孫添虎進(jìn)行了多相流(氣-液-液)的數(shù)值模擬,具體分析研究了網(wǎng)-柵結(jié)構(gòu)圍油欄高度、底網(wǎng)長度、攔網(wǎng)孔隙率等對攔油效果的影響。針對不同的海況,王建偉實(shí)現(xiàn)了圍油欄在受船舶牽引狀態(tài)下的隨動模擬,為不同結(jié)構(gòu)圍油欄的優(yōu)化選擇提供了依據(jù)。endprint

        4 結(jié)束語

        近年來,國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā),包括渤海灣溢油在內(nèi)的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中,應(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行更貼近真實(shí)海況的數(shù)值模擬計(jì)算,這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]魏芳,林建國,許穎.圍油欄研制的歷史、現(xiàn)狀及數(shù)值模擬的應(yīng)用展望[C].船舶防污染學(xué)術(shù)年會論文集,2006.

        [2]魏芳,劉曉峰,林建國,等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].交通環(huán)保,2007,7:39-44.

        [3]任海舟.針織物抗油污染整理研究[J].針織工業(yè),1998.

        [4]許祖美.日本的海洋污染防治技術(shù)[J].海洋環(huán)境科學(xué),1986.

        [5]Oebius, H.u. Physical properties and processes that influence the clean-up of oil spills in the marine environment. Spill Science & Technology Bulletin,1999, 5(3-4):177-289.

        [6]凌曉光.勝利埕島油田如何布設(shè)圍油欄回收溢油方法中的溢油回收率[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003.

        [7]Oil Spill Response Catalog. World catalog of oil spill response products, 2005.

        [8]H.M.Brown, R.H.Goodman, C-F.AN, & J.Bittner, Boom Failure Mechanisms: Comparison of Channel Experiments with Computer Modelling Results, Spill Science& Technology Bulletin, Vol.3, No.4, pp.217-220, 1996

        [9]R.H.Goodman, H.M.Brown, C-F.AN,&R.D.Rowe, Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics, Spill Science&Technology Bulletin, Vo1.3.No.4. pp.213-216, 1996

        [10]C-F.AN, H.M.Brown, R.H.Goodman,&E.Clavelle, Animation of Boom Failure Processes, Spill Science & Technology Bulletin, Vo1.3.No.4, pp.22I-224, 1996

        [11]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: I: Numerical Model. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 222-227.

        [12]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: II: Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August:228-233.

        [13]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: III: Containment Failure. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 234-239.

        作者簡介:曹瑩(1988,2-),男,籍貫:江蘇泰興,碩士,研究方向:船舶輔機(jī)。endprint

        4 結(jié)束語

        近年來,國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā),包括渤海灣溢油在內(nèi)的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中,應(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行更貼近真實(shí)海況的數(shù)值模擬計(jì)算,這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]魏芳,林建國,許穎.圍油欄研制的歷史、現(xiàn)狀及數(shù)值模擬的應(yīng)用展望[C].船舶防污染學(xué)術(shù)年會論文集,2006.

        [2]魏芳,劉曉峰,林建國,等.圍油欄性能優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].交通環(huán)保,2007,7:39-44.

        [3]任海舟.針織物抗油污染整理研究[J].針織工業(yè),1998.

        [4]許祖美.日本的海洋污染防治技術(shù)[J].海洋環(huán)境科學(xué),1986.

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        [6]凌曉光.勝利埕島油田如何布設(shè)圍油欄回收溢油方法中的溢油回收率[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003.

        [7]Oil Spill Response Catalog. World catalog of oil spill response products, 2005.

        [8]H.M.Brown, R.H.Goodman, C-F.AN, & J.Bittner, Boom Failure Mechanisms: Comparison of Channel Experiments with Computer Modelling Results, Spill Science& Technology Bulletin, Vol.3, No.4, pp.217-220, 1996

        [9]R.H.Goodman, H.M.Brown, C-F.AN,&R.D.Rowe, Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics, Spill Science&Technology Bulletin, Vo1.3.No.4. pp.213-216, 1996

        [10]C-F.AN, H.M.Brown, R.H.Goodman,&E.Clavelle, Animation of Boom Failure Processes, Spill Science & Technology Bulletin, Vo1.3.No.4, pp.22I-224, 1996

        [11]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: I: Numerical Model. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 222-227.

        [12]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: II: Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August:228-233.

        [13]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: III: Containment Failure. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 234-239.

        作者簡介:曹瑩(1988,2-),男,籍貫:江蘇泰興,碩士,研究方向:船舶輔機(jī)。endprint

        4 結(jié)束語

        近年來,國內(nèi)海上溢油事故頻發(fā),包括渤海灣溢油在內(nèi)的眾多事故給國家和沿海居民造成了巨大的損失。在今后的研究中,應(yīng)繼續(xù)加大對不同結(jié)構(gòu)圍油欄尤其是高性能圍油欄在三維數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺下進(jìn)行更貼近真實(shí)海況的數(shù)值模擬計(jì)算,這將為改進(jìn)圍油欄技術(shù)提供理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]魏芳,林建國,許穎.圍油欄研制的歷史、現(xiàn)狀及數(shù)值模擬的應(yīng)用展望[C].船舶防污染學(xué)術(shù)年會論文集,2006.

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        [3]任海舟.針織物抗油污染整理研究[J].針織工業(yè),1998.

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        [5]Oebius, H.u. Physical properties and processes that influence the clean-up of oil spills in the marine environment. Spill Science & Technology Bulletin,1999, 5(3-4):177-289.

        [6]凌曉光.勝利埕島油田如何布設(shè)圍油欄回收溢油方法中的溢油回收率[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003.

        [7]Oil Spill Response Catalog. World catalog of oil spill response products, 2005.

        [8]H.M.Brown, R.H.Goodman, C-F.AN, & J.Bittner, Boom Failure Mechanisms: Comparison of Channel Experiments with Computer Modelling Results, Spill Science& Technology Bulletin, Vol.3, No.4, pp.217-220, 1996

        [9]R.H.Goodman, H.M.Brown, C-F.AN,&R.D.Rowe, Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics, Spill Science&Technology Bulletin, Vo1.3.No.4. pp.213-216, 1996

        [10]C-F.AN, H.M.Brown, R.H.Goodman,&E.Clavelle, Animation of Boom Failure Processes, Spill Science & Technology Bulletin, Vo1.3.No.4, pp.22I-224, 1996

        [11]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: I: Numerical Model. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 222-227.

        [12]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: II: Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August:228-233.

        [13]F. Fang, A,J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind: III: Containment Failure. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2001, Vo1.127,No.4 July/August: 234-239.

        作者簡介:曹瑩(1988,2-),男,籍貫:江蘇泰興,碩士,研究方向:船舶輔機(jī)。endprint

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