魏國

摘 要 近年來，我國不斷加大海上油氣資源的開發(fā)力度，而海上油氣資源開采中的問題也日益突出，海上溢油是比較常見的海洋油氣開采問題，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重，海上溢油應(yīng)急處理機(jī)制可以有效控制海上溢油的擴(kuò)散速率。但我國現(xiàn)有的海上溢油應(yīng)急處理技術(shù)仍然十分落后，不能實(shí)現(xiàn)海上溢油的動(dòng)態(tài)仿真，降低了海上溢油應(yīng)急處理的敏感度。本文將基于OSG技術(shù)與平面折射技術(shù)進(jìn)行海上溢油擴(kuò)散仿真，在仿真模型的基礎(chǔ)上對(duì)海上溢油應(yīng)急工作流程進(jìn)行三維可視化處理。

【關(guān)鍵詞】海上溢油 應(yīng)急處理 仿真 三維可視化

計(jì)算機(jī)數(shù)字化計(jì)算已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，仿真與三維可視化技術(shù)就是計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)的重要分支之一。傳統(tǒng)的海上溢油應(yīng)急處理機(jī)制缺少理論支持，不能對(duì)溢油的危害程度進(jìn)行有效預(yù)測，更不能詳細(xì)計(jì)算出溢油的擴(kuò)散、漂移路徑，導(dǎo)致救援機(jī)構(gòu)不能及時(shí)采取海上溢油應(yīng)急處理措施。目前，我國對(duì)海上溢油應(yīng)急處理人員的培訓(xùn)主要以實(shí)地培訓(xùn)為主，但實(shí)地培訓(xùn)的成本費(fèi)用較高；國外海上溢油應(yīng)急處理培訓(xùn)則主要以海上搜救模擬器為主，海上溢油應(yīng)急處理仿真系統(tǒng)是海上搜救模擬器的重要組成部分。

1 海上溢油仿真

1.1 水動(dòng)力影響

影響海上溢油行為的因素有很多，包括常見的潮汐、水流、風(fēng)向等，而現(xiàn)有的海上油氣開采平臺(tái)一般處于近海，因此海上溢油受水動(dòng)力的影響最大，水動(dòng)力主要來源于潮汐，而且不同區(qū)域的潮汐對(duì)海上溢油的影響程度也具備差異性，下面將選擇黃海地區(qū)某海洋油氣開采平臺(tái)作為研究對(duì)象。將對(duì)海上溢油行為的研究簡化為水動(dòng)力研究，而水動(dòng)力的研究主要包括水平運(yùn)輸以及水位上升，因此可以選擇二維單層流體力學(xué)的理論模型進(jìn)行仿真，模型中的影響因素包括潮流四個(gè)方向的分量、水位以及水流平均速度。

1.2 溢油數(shù)學(xué)模型

海上溢油的行為十分復(fù)雜，不僅存在漂移、擴(kuò)散等現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)的行為。海上溢油的行為除了受到外力的影響，還受到自身重量、運(yùn)動(dòng)模式等影響，另外，溢油種類不同產(chǎn)生的理化特征也會(huì)有差異性。因此，在溢油數(shù)學(xué)模型中，應(yīng)該將溢油的基本屬性納入模型，包括溢油的重量、溫度、密度、體積等，本文設(shè)計(jì)的溢油模型主要考慮了溢油的四種行為，包括漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)以及乳化等。海上溢油模型的建立分為三個(gè)步驟，包括重力與慣性力分析模型、重力與粘性力分析模型以及粘性力與表面張力分析模型，最后得到海上溢油漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)以及乳化等四種行為的模型。

1.3 溢油三維可視化

三維可視化的基礎(chǔ)在于坐標(biāo)的建立，因此，在進(jìn)行三維可視化仿真前必須對(duì)海洋實(shí)際情況進(jìn)行勘測，本文運(yùn)用海水測繪模型對(duì)海浪進(jìn)行測繪，通過LOD技術(shù)保證海浪測繪的準(zhǔn)確性。之后利用OSG技術(shù)對(duì)海浪進(jìn)行RTT處理，對(duì)海上溢油紋路的處理可以被直接讀取，保證渲染的性能。將海上溢油劃分成為若干單元，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，之后利用多邊形分格法進(jìn)行軌跡處理，仿真模擬的結(jié)果不會(huì)直接顯示在屏幕上，而是形成對(duì)應(yīng)的折射紋理圖，最終形成海上溢油的三維可視化模型。海上溢油的三維仿真流程如圖1所示。

2 應(yīng)急處理仿真

2.1 圍油欄仿真

目前，最常用的海上溢油應(yīng)急處理措施是通過圍油欄限制海上溢油的影響范圍?，F(xiàn)有的圍油欄以充氣式橡膠圍油欄為主，該圍油欄的骨架為合成纖維，具有較高的強(qiáng)度，另外，該種類型的圍欄具有較好的耐油性與耐磨性，同時(shí)抗紫外線老化的能力較強(qiáng)，因此，充氣式橡膠圍油欄已經(jīng)成為目前主流的海上溢油應(yīng)急設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、海灣、海上油氣開采平臺(tái)等。本文以WQJ1000充氣式橡膠圍油欄為對(duì)象進(jìn)行三維仿真，應(yīng)用的仿真軟件為CreATOR 2.6。

2.2 碰撞測試模型

當(dāng)發(fā)生海上溢油事故時(shí)，搜救傳以最快的速度達(dá)到事發(fā)地點(diǎn)，通過在事故點(diǎn)附近布置圍油欄控制油液擴(kuò)散，溢油與圍油欄發(fā)生碰撞接觸時(shí)，溢油未與圍油欄接觸的部分會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致海上溢油與圍油欄發(fā)生碰撞。海上溢油屬于柔性模塊，而圍油欄屬于剛性模塊，為了保證圍油欄的安全，必須對(duì)接觸碰撞進(jìn)行檢測，每隔一段時(shí)間對(duì)碰撞強(qiáng)度進(jìn)行檢測，首先獲取溢油與邊緣的位置，通過軟件模擬出這些位置點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果位置點(diǎn)重合則說明溢油與圍油欄發(fā)生碰撞。

2.3 應(yīng)急措施仿真

本次仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)備硬件包括2.5GHz以上的CPU，為了保證仿真運(yùn)算效率，計(jì)算機(jī)內(nèi)部必須高于4G。仿真軟件的運(yùn)行環(huán)境為WINDOWS 7，利用Visual Studio 2010 軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真計(jì)算，具體的計(jì)算程序以C++為主。在進(jìn)行海上溢油仿真時(shí)共有2233個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，實(shí)景管理軟件以O(shè)SG 2.8為主，將溢油碰撞算法與溢油模型進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)溢油圍欄三維可視化。

3 總結(jié)

隨著海洋油氣工程的快速發(fā)展，海上溢油事故的發(fā)生率也在逐年增長，而海上溢油的破壞性極大，不僅直接污染了海洋水質(zhì)，同時(shí)對(duì)海洋生物鏈造成不可修復(fù)的破壞。海上溢油事故拖延的時(shí)間越久，溢油擴(kuò)散范圍越大，因此，海上溢油應(yīng)急處理措施應(yīng)該越快越好。海上溢油應(yīng)急處理仿真系統(tǒng)可以有效預(yù)測海上溢油的路徑，并幫助工作人員制定針對(duì)性的海上溢油應(yīng)急處理措施。以上從海上溢油與應(yīng)急處理兩個(gè)部分進(jìn)行仿真，構(gòu)建了可行性的海上溢油應(yīng)急處理仿真系統(tǒng)，希望本文的研究有利于我國海上溢油應(yīng)急處理的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司 天津市 300452