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        海上溢油跟蹤定位浮標(biāo)參數(shù)分析及技術(shù)優(yōu)化研究

        2014-06-27 01:15:48,,,
        船海工程 2014年4期
        關(guān)鍵詞:溢油作用力浮標(biāo)

        ,, ,

        (1.交通運輸部水運科學(xué)研究院,北京 100088;2.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026)

        對溢油進行監(jiān)視和跟蹤,準(zhǔn)確掌握溢油運動的位置、速度和方向是妥善處理溢油事故的前提,通常采用的方法是漂流浮標(biāo)跟蹤油膜。國內(nèi)外關(guān)于溢油模型的研究已經(jīng)開展了多年。2004年國家863項目成果“小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)”在青島近海海域進行海上布放和試驗,標(biāo)志著浮標(biāo)的性能通過考驗,但該浮標(biāo)體積大,主要用于定點監(jiān)測,不適用于海上溢油的漂移跟蹤[1-3]。如果能在此基礎(chǔ)上,進一步對浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)隨浮標(biāo)參數(shù)影響的變化規(guī)律進行系統(tǒng)的分析研究,就能夠根據(jù)不同水域的地理位置、海況、溢油油膜性質(zhì)等參數(shù)對適用的跟蹤浮標(biāo)參數(shù)進行定量分析,對溢油浮標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計及準(zhǔn)確跟蹤溢油都具有實際意義。

        1 溢油浮標(biāo)的水動力分析

        1.1 漂移模型

        油膜在海面上漂移主要受到海面洋流和風(fēng)力的共同作用,溢油模型中溢油漂移速度可被定義為表層潮流速度和距海面10 m處風(fēng)速百分率ζ的矢量和[4],即

        v0=vc+ζv10

        (1)

        式中:v0——溢油漂移速度;

        vc——表層潮流速度;

        v10——距海面10 m處風(fēng)速,ζ為風(fēng)系數(shù),通常經(jīng)由海上實測的方式獲得。

        1.2 等效風(fēng)速

        海面附近的風(fēng)受海面的摩擦作用,風(fēng)速的鉛直方向上的分布是不均勻的,這里采用等效風(fēng)速的概念:對于受風(fēng)高度為h的模型,受到的等效風(fēng)速取迎風(fēng)輪廓形心高度的風(fēng)速[5],其等效風(fēng)速可表示為

        (2)

        式中:va——等效風(fēng)速;

        h——海面模型受風(fēng)高度。

        1.3 海流速度

        表層海流的速度是潮流速度和風(fēng)生流的矢量和,在垂直方向上,該速度是一個變量,本文采用表面流速代替作用在浮標(biāo)上的海流流速,海流流速可表示為

        vwater=vc+αv10

        (3)

        式中:vwater——表層海流的速度;

        α——風(fēng)生流系數(shù)[6],計算公式O為

        (4)

        式中:θ——海流緯度。

        1.4 水動力平衡方程

        在表層海水中溢油浮標(biāo)受到來自水面以上海風(fēng)的作用力和水面以下海水的作用力的共同作用。溢油浮標(biāo)完全跟蹤溢油油膜,是指溢油浮標(biāo)與油膜相同速度運動,并且浮標(biāo)達到受力平衡。

        1.4.1 海水對浮標(biāo)的作用力

        海水對溢油浮標(biāo)的作用力可表示為

        (5)

        式中:Fwater——海水對浮標(biāo)的作用力;

        ρwater——海水的密度;

        A1——迎水面積;

        CDc——浮標(biāo)的海水阻力系數(shù)。

        1.4.2 風(fēng)對浮標(biāo)的作用力

        風(fēng)對溢油浮標(biāo)的作用力可表示為

        (6)

        式中:Fair——風(fēng)對浮標(biāo)的作用力;

        ρair——海面空氣的密度;

        vair——海面風(fēng)速;

        A2——迎風(fēng)面積;

        CDa——浮標(biāo)的空氣阻力系數(shù)。

        其中,風(fēng)速vair的鉛直分布可表示為

        (7)

        式中:h——浮標(biāo)水面以上高度。

        顯然等效相對風(fēng)速的方向與風(fēng)向相同。

        1.4.3 浮標(biāo)受力平衡

        當(dāng)浮標(biāo)勻速運動時,其受到的海水阻力與風(fēng)推力平衡[7],得

        ρwater[(ζ-α)v10]2A1CDc=ρair(vair-v0)2A2CDa

        (8)

        因為α<ζ<1,進一步整理得到

        (9)

        (10)

        2 溢油浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)計算方法

        根據(jù)水動力平衡方程,空氣和海水的密度可以根據(jù)溫度(本文計算溫度為15 ℃)查出;迎水面積A1、迎風(fēng)面積A2和水面高度h根據(jù)可根據(jù)浮標(biāo)的幾何尺寸計算;浮標(biāo)阻力系數(shù)CDc、CDa的計算是用數(shù)值模擬的方法計算得出,每次計算分為水上部分與水下部分,首先在Gambit中劃分網(wǎng)格,然后導(dǎo)入到Fluent中計算。得到各參數(shù)后帶入式(10),即可得到浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)。

        2.1 迎水面積、迎風(fēng)面積和水面高度

        圖1為球形浮標(biāo)漂浮于水面。

        圖1 球形浮標(biāo)示意

        2.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

        采用Gambit軟件建立各個浮標(biāo)水上部分及水下部分模型并進行網(wǎng)格劃分。圖2、3為球形浮標(biāo)水上部分和水下部分網(wǎng)格劃分。

        圖2 球形浮標(biāo)水上部分網(wǎng)格劃分

        2.3 模型計算

        利用Fluent軟件計算浮標(biāo)水上部分和水下部分的阻力系數(shù)。圖4、5為球形浮標(biāo)水上部分和水下部分計算模型。

        圖5 球形浮標(biāo)水下部分計算模型

        3 浮標(biāo)水動力特性曲線

        為了解在不同尺寸、重量、海域位置等關(guān)鍵參數(shù)的影響下浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)的變化規(guī)律,本文計算球形浮標(biāo),其主要參數(shù)見表1。

        表1 浮標(biāo)參數(shù)匯總表

        注:研究海域為大連灣和深圳灣

        經(jīng)計算,繪制球形浮標(biāo)在大連灣、深圳灣的風(fēng)系數(shù)變化曲線,見圖6、7。

        圖6 大連灣球形浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)變化

        圖7 深圳灣球形浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)變化

        4 研究分析

        1)我國沿海海域浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)的大致范圍是0.02~0.07。在不同的溢油事故中測得的數(shù)據(jù)表明,油膜的風(fēng)系數(shù)的取值不是惟一的,大致范圍是0.02~0.05[8]。由此得出,針對某一穩(wěn)定海況和油膜,總是可以通過優(yōu)化浮標(biāo)參數(shù)與溢油風(fēng)系數(shù)的特定組合,實現(xiàn)對溢油的完全跟蹤。

        2)對于某一特定尺寸的浮標(biāo)而言,隨著浮標(biāo)重量的增大,浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)逐漸減小。例如:直徑為300 mm的浮標(biāo)在大連灣使用,浮標(biāo)重6 kg時,其風(fēng)系數(shù)為0.038 9;當(dāng)浮標(biāo)重量是12 kg時,其風(fēng)系數(shù)是0.020 3。這意味著浮標(biāo)質(zhì)量越大,越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)小的油膜:反之,浮標(biāo)質(zhì)量越小,越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)大的油膜。

        3)對于某一特定質(zhì)量的浮標(biāo)而言,隨著浮標(biāo)尺寸的增大,浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)逐漸增大。例如:重量為10 kg的浮標(biāo)在深圳灣使用時,當(dāng)浮標(biāo)直徑為300 mm時,其風(fēng)系數(shù)為0.024 3;當(dāng)浮標(biāo)直徑為350 mm時,其風(fēng)系數(shù)為0.037 3。這意味著浮標(biāo)尺寸越大,越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)大的油膜:反之,浮標(biāo)尺寸越小,越適合跟蹤風(fēng)系數(shù)小的油膜。

        4)浮標(biāo)的風(fēng)系數(shù)與海域位置(緯度)有關(guān),根據(jù)計算結(jié)果,同一種浮標(biāo)在不同緯度海域的風(fēng)系數(shù)不同。同尺度同重量條件下,浮標(biāo)所處緯度越大,浮標(biāo)風(fēng)系數(shù)越小。例如,直徑為300 mm、重量為7 kg的浮標(biāo),在大連灣使用其風(fēng)系數(shù)為0.033 8,在深圳灣使用其風(fēng)系數(shù)為0.038 5。

        5 結(jié)束語

        海上溢油跟蹤定位浮標(biāo)具有全天候使用和全過程監(jiān)測能力,是一種海上溢油實時追蹤監(jiān)測的穩(wěn)定、可靠、成本低廉的技術(shù)方法,也是海上溢油事故應(yīng)急快速反應(yīng)的一個有效手段。本文研究成果可為溢油跟蹤浮標(biāo)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化、海上溢油跟蹤、溢油漂移軌跡預(yù)報及相關(guān)分析方面提供技術(shù)依據(jù)。

        [1] 楊悅文,商紅梅.用表層漂流浮標(biāo)對海上溢油實時跟蹤和監(jiān)測的方法[J].海洋技術(shù),2007,26(2): 17-18.

        [2] 汪 渝,熊德琪.基于GPRS/GPS的海上溢油遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].信息與電子工程,2007,5(2):81-85.

        [3] 岳成業(yè),曹祖德,溢油追蹤報警器可行性研究[J].交通環(huán)保,2003,24(5):5-8.

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        [5] 張永勝,蔡 烽,周 波,等.船舶受非均勻風(fēng)力的計算方法[J].中國航海,2005(4):61-64.

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