廖國祥 李艷妮

摘要：為深入研究井噴和管道破損等海底事故后溢油在水下環(huán)境中的輸移擴散過程，文章利用自制的組合式環(huán)形水槽（周長9 . 7m、寬0 . 4 5m、深1m） ，以阿曼原油與消油劑混合物和淡水（含示蹤劑）為模擬污染物，初步開展靜水和動水環(huán)境中海底溢油浮射流的物理模擬實驗，并應(yīng)用基于拉格朗日積分方法的水下溢油浮射流模型進行數(shù)值模擬比較分析。研究結(jié)果表明：靜水環(huán)境中，水下溢油浮射流主要沿噴口的垂直中心線向水面輸移擴散；非均勻流動水環(huán)境中，橫流速度越大，浮射流輸移軌跡的彎曲程度越明顯；數(shù)值模擬的浮射流軌跡總體上與實驗觀測結(jié)果符合較好；研究結(jié)果可為今后相關(guān)物理實驗和數(shù)值模型的改進研究提供有益參考。

關(guān)鍵詞：水下溢油；浮射流；輸移擴散；非均勻流；數(shù)值模擬

中圖分類號： P 7 6； X 5 5 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 0） 1 2-0 0 7 1-0 7

P r e l i m i n a r yE x p e r i m e n t a l S t u d ya n dN u m e r i c a lM o d e l i n g o f t h eU n d e r w a t e rO i l S p i l B u o y a n t J e t s i n S t a t i ca n dF l o w i n gW a t e rE n v i r o n m e n t s

L I AOG u o x i a n g1， 2， L IY a n n i3

（ 1 .N a t i o n a lM a r i n eE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gC e n t e r， D a l i a n1 1 6 0 2 3， C h i n a；

2 . S t a t eE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nK e yL a b o r a t o r yo fC o a s t a lE c o s y s t e m， D a l i a n1 1 6 0 2 3， C h i n a； 3 . E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gC o l l e g e， D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y， D a l i a n1 1 6 0 2 6， C h i n a）

A b s t r a c t： I no r d e r t os t u d y t h e t r a n s p o r t a n dd i f f u s i o np r o c e s s e so f o i l s p i l l i nu n d e r w a t e r e n v i r o n -m e n t a f t e rs u b s e aa c c i d e n t s（ e . g . s u b s e ao i l - w e l lb l o w o u t， o i l /g a sp i p e l i n el e a k a g e） ， t h i sp a p e r u s e da na n n u l a r t a n kw i t hd i m e n s i o n so f 9 . 7m×0 . 4 5m×1m（ p e r i m e t e r×w i d t h×d e p t h）a s t h e b a s i ct e s t f a c i l i t y， a n ds e l e c t e dOm a nc r u d eo i l， m i x t u r eo f c r u d eo i l a n dc h e m i c a l d i s p e r s a n t， f r e s h w a t e r（ w i t h i n ka s t r a c e r）a s s i m u l a t e dp o l l u t a n t s， a n dc a r r i e do u t as e r i e so fu n d e r w a t e rb u o y a n t j e tp h y s i c a l e x p e r i m e n t s， a n dc o n d u c t e d t h en u m e r i c a lm o d e l i n ga n dc o m p a r a t i v e a n a l y s i sb yu s i n g aL a g r a n g i a ni n t e g r a lm e t h o db a s e du n d e r w a t e ro i l /g a sb u o y a n t j e tm o d e l . E x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a t t h eb u o y a n t j e t s t r a n s p o r t e da l o n gt h ev e r t i c a l l i n eo f t h en o z z l ea n ds p r e a di nh o r i -z o n t a l d i r e c t i o n s i nt h es t a t i cw a t e re n v i r o n m e n t；w h i l e i nt h en o n - u n i f o r mc r o s sf l o w i n gw a t e r e n v i r o n m e n t s， t h eb u o y a n t j e t t r a j e c t o r i e sw e r eb e n t o v e rb y t h e s t r o n g e r c r o s s f l o w.I t a l s o s h o w e d t h a t t h en u m e r i c a lm o d e l e d t r a j e c t o r i e so fb u o y a n t j e t sg e n e r a l l ya g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n -t a l o b s e r v e dd a t a . T h er e s u l t so f t h i sp a p e rc a np r o v i d eau s e f u l r e f e r e n c e f o r t h e i m p r o v e m e n to f p h y s i c a l e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n g i nt h e f u t u r e .

K e yw o r d s： U n d e r w a t e r o i l s p i l l， B u o y a n t j e t， T r a n s p o r t a n dd i f f u s i o n， N o n - u n i f o r mc r o s s f l o w， N u -m e r i c a lm o d e l i n g

0 引言

自2 0 1 0年墨西哥灣“深水地平線”深海溢油事故以來，水下溢油問題受到世界各海洋石油開發(fā)國家的高度重視和關(guān)注。近年來，我國不僅加強對渤海和南海的淺海油氣資源開采，而且積極推進南海深水油氣資源的勘探開發(fā)，發(fā)生水下溢油事故的風(fēng)險日益增高。在此背景下，通過開展物理實驗和數(shù)值模擬研究，深入認(rèn)識水下溢油污染物在水下環(huán)境中的輸移擴散過程，可為事故前的風(fēng)險評估、事故時的應(yīng)急決策和事故后的損害評估等提供重要的科學(xué)和技術(shù)支持。

國外學(xué)者自2 0世紀(jì)7 0年代起就開展了靜水條件下的水下溢油浮射流實驗，用于支持水下溢油模型的構(gòu)建和驗證[ 1-3]。挪威學(xué)者分別于1 9 9 6年和2 0 0 0年先后開展1 0 7m和8 4 4m水下大型溢油現(xiàn)場實驗[ 4-5]。由于水下溢油現(xiàn)場實驗的成本高昂，且不易觀測污染物輸移擴散的全過程，現(xiàn)有研究仍以實驗室模擬實驗研究為主。S o c o l o f s k y等[ 6]開展均勻流環(huán)境中的多相流實驗，研究油氣混合物的輸移和分離特性；M a s u t a n i等[ 7]在高為1 . 3 0m、長和寬均為0 . 5 5m的長方體水槽中開展原油樣品噴射實驗，根據(jù)射流形態(tài)確立油品破碎成油滴的邊界； B r a n d v i k等[ 8]利用直徑為3m、高為6m的大型垂直水槽開展系列實驗，研究泄漏條件、油品特性和消油劑對油滴粒徑分布的影響； Z h a o等[ 9]在美國O h m s e t t大型波浪槽中，利用直徑為2 5 . 4mm、泄漏量為6 . 3L/s的水下橫管開展大型溢油實驗，分析水下溢油的動力特性和油滴粒徑分布。

近年來，我國學(xué)者積極開展水下溢油實驗研究，并取得顯著進展。王晶[ 1 0]和肖杰[ 1 1]開展水下單一孔口形成的氣泡/油滴實驗，研究海底管線微孔泄漏的油滴尺寸和上升速度；臧曉剛等[ 1 2]在2 . 0m×1 . 0m×1 . 8m的水箱中進行水下管道微孔溢油實驗，研究在不同泄漏量時溢油油滴上升至水面的時間以及泄漏產(chǎn)生的浮羽射流的形態(tài)；錢國棟等[ 1 3]在1m×1m×2m的垂直水槽中開展“蓬萊1 9 - 3”水下溢油模擬實驗，并評估水下溢油的噴口直徑和噴射速度對油滴破碎形成的油滴粒徑分布的影響。

與此同時，真實海洋環(huán)境通常是非均勻的分層水流環(huán)境，而現(xiàn)有實驗室實驗研究以靜水和均勻流環(huán)境為主，難以深入研究更接近真實海洋環(huán)境條件的水下溢油污染物輸移擴散過程。因此，本研究基于自制的組合式環(huán)形水槽，初步開展靜水和動水（非均勻橫流）環(huán)境中水下溢油浮射流的物理模擬實驗和數(shù)值模擬分析，以期為水下溢油事故污染物輸移擴散研究提供有益參考。

1 水下浮射流實驗

1 . 1 材料與方法

1 . 1 . 1 物理實驗裝置

水下溢油浮射流物理模擬實驗裝置為1臺自制的具有初步造波和造流功能的組合式環(huán)形溢油水槽（圖1）。

水槽周長9 . 7m、寬0 . 4 5m、深1m，其中槽壁材質(zhì)為玻璃，易于觀測實驗過程。水槽由2個直段和2個彎段組成，選取水槽的一側(cè)直段作為水下浮射流物理模擬實驗區(qū)域，并利用1臺空氣壓縮機和1個油罐制造水下溢油浮射流。須指出的是，物理模擬實驗重點關(guān)注水下溢油浮射流的輸移擴散過程，因此以水槽底部噴口中心為原點建立三維空間坐標(biāo)系，其中X軸和Y軸分別為水平面的E向和N向（具體表示為污染物輸移距離，單位為m） ， Z軸為垂直方向（具體表示為實驗水深，單位為m）。

1 . 1 . 2 水流環(huán)境模擬

真實海洋環(huán)境通常是非均勻流環(huán)境： 1 9 9 6年挪威“D e e p S p i l l”現(xiàn)場實驗的結(jié)果表明水下3m、2 0m、5 0m和8 0m等不同深度呈不均勻狀態(tài)，且隨時間變化而動態(tài)變化，流速范圍為0 . 0 3～0 . 1 0m/s[ 4]；我國學(xué)者對南海海流垂直結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究結(jié)果也展示了南海水下環(huán)境非均勻流的特點[ 1 4-1 6]。因此，本研究結(jié)合組合式環(huán)形水槽的實際條件，通過調(diào)節(jié)水泵的功率和位置，制造2種不同平均速度的流動環(huán)境。在實驗前，待水槽內(nèi)的水流循環(huán)超過1 5m i n且速度穩(wěn)定后，利用超聲波水流測定儀測定實驗區(qū)域的水流速度，并記錄1m i n的時均速度值、最小值和最大值（表1和圖2） ，用于后續(xù)的數(shù)值模擬分析。

1 . 1 . 3 實驗條件和方案設(shè)計

參考國內(nèi)外實驗研究經(jīng)驗，結(jié)合本研究的物理實驗裝置實際情況，對模擬污染物、噴口直徑、初始噴射速度和水流環(huán)境等實驗條件參數(shù)進行分析與設(shè)計。

（ 1）模擬污染物。國內(nèi)外多采用密度較小和黏度較低的原油開展浮射流實驗： B r a n d v i k等[ 8]采用密度為8 3 9 . 3k g/m3的O s e b e r g原油作為實驗油品；臧曉剛等[ 1 2]采用密度為8 1 5k g/m3的0號柴油作為實驗油品。2 0 1 0年墨西哥灣“深水地平線”溢油事故發(fā)生后，挪威和美國學(xué)者為研究水下消油劑處理對溢油輸移的影響，將原油和消油劑預(yù)混合后開展污染物浮射流實驗研究[ 8-9]?？紤]到油品的獲取難度，本研究選取大連港運輸較多且密度較小和黏度較低的阿曼原油（ 2 0℃時的密度為8 7 2k g/m3）作為主要實驗油品，并以阿曼原油與消油劑的混合物（劑油比為1∶2 0）作為水下浮射流實驗的模擬污染物。為開展對比研究，選取淡水（添加藍(lán)色或紅色墨水作為示蹤劑）作為模擬污染物。

（ 2）噴口直徑。B r a n d v i k等[ 8]開展的溢油浮射流系列實驗的噴口直徑為0 . 5～3 . 0mm，并在原油與消油劑混合物浮射流實驗中選取1 . 5mm的噴口直徑；臧曉剛等[ 1 2]選取的實驗噴口直徑為2～ 3mm；錢國棟等[ 1 3]選取的實驗噴口直徑為1～ 3mm。經(jīng)綜合比較，本研究選取1 . 5mm和2 . 0mm作為實驗噴口直徑。

（ 3）初始噴射速度和水流環(huán)境。主要通過前述的組合式實驗裝置以及水泵和氣泵等設(shè)備來調(diào)節(jié)和設(shè)定。

基于上述實驗條件分析，制定水下溢油浮射流物理模擬實驗方案（表2）。

1 . 1 . 4 實驗步驟和測定方法

實驗開始：向水槽內(nèi)注入淡水（溫度為室溫） ，使水深達到0 . 6 5m（噴口位于水槽底部高5c m處，即噴口與水面的距離為0 . 6m） ；將配置好的模擬污染物（阿曼原油和淡水）添加至體積為2L的“油罐”中；開啟壓縮氣泵，通過調(diào)節(jié)管路的壓力達到實驗所需的壓強，待壓強穩(wěn)定后打開待測溢油管道的開關(guān)，同時利用高清攝像機（分辨率為19 2 0×10 8 0像素，錄像頻率為3 0幀/s）攝錄浮射流輸移擴散的過程；污染物的流量和噴射速度根據(jù)模擬污染物的體積和持續(xù)泄漏時間計算確定。

實驗結(jié)束：將實驗過程視頻的高清截圖導(dǎo)入I m a g e - P r oP l u s軟件，經(jīng)過空間校正，標(biāo)記浮射流左邊界和右邊界的主要拐點，并計算確定每個拐點的水平和垂直坐標(biāo)；綜合所有拐點的坐標(biāo)，得到浮射流實驗污染物輸移軌跡和擴散范圍的數(shù)據(jù)。

1 . 2 結(jié)果與討論

靜水和動水環(huán)境中原油（阿曼原油以及阿曼原油與消油劑混合物）和淡水（含示蹤劑）浮射流輸移擴散的實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。需要說明的是，污染物的輸移擴散范圍是根據(jù)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)且邊界容易識別的浮射流實驗圖像處理分析后確定的。

由圖3和圖4可以看出：①靜水環(huán)境中，污染物浮射流基本沿著與噴口垂直的中心線向上運動；隨著周圍水體不斷被卷吸進入浮射流，浮射流的垂直上升速度快速下降，同時其水平擴散范圍逐漸變大。②動水環(huán)境中，由于初始噴射速度大于橫向流速，泄漏初期的浮射流軌跡基本垂直向上；隨著射流的浮升，周圍水體被卷吸進入浮射流，浮射流中心軌跡逐漸彎曲；對比2種動水環(huán)境（ Uc=3 . 4 8c m/s和Uc= 6 . 9 0c m/s）中的淡水浮射流軌跡，橫向水流速度越大，浮射流中心軌跡開始彎曲的高度越低，彎曲程度越明顯。

值得注意的是，在Uc=3 . 4 8c m/s的動水環(huán)境中，實驗觀測到的原油浮射流擴散范圍比原油與消油劑混合物浮射流的大。這是因為原油自噴口噴射進入水體后破碎成為粒徑更大的油滴，而粒徑較大的油滴更易于脫離浮射流并浮升和擴散。此外，實驗觀測到的原油與消油劑混合物浮射流分散在水體中的油滴粒徑明顯更小，但受觀測設(shè)備的限制，本研究未能對實驗中油滴粒徑的分布特征進行有效的定量分析。

2 數(shù)值模擬

2 . 1 水下溢油浮射流模型及其參數(shù)設(shè)置

本研究僅給出數(shù)值模型的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，詳細(xì)介紹可參見文獻[ 1 7]和[ 1 8]。

2 . 2 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗觀測數(shù)據(jù)的比較

數(shù)值模擬結(jié)果與實驗觀測數(shù)據(jù)的比較如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出：無論是原油還是淡水，靜水環(huán)境中的污染物浮射流輸移軌跡和擴散范圍的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗觀測數(shù)據(jù)的吻合程度均較高；與靜水環(huán)境相比，在平均速度為3 . 4 8c m/s和6 . 9 0c m/s的非均勻流動水環(huán)境中，污染物浮射流在初始射流動量占主導(dǎo)作用階段（自噴口至其以上的0 . 1m處）的輸移軌跡與擴散范圍基本吻合；隨著非均勻流動水體被卷吸進入浮射流，盡管輸移軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗觀測數(shù)據(jù)總體吻合，但擴散范圍存在一些差異?？紤]到數(shù)值模型輸入的環(huán)境流速是垂向5層實測流速的平均值而不是實時測定的分層流速等因素，本研究所采用的水下溢油浮射流模型總體上能夠較好地模擬預(yù)測污染物浮射流的輸移擴散趨勢。

但須指出的是，由于實驗過程中未能獲取油滴粒徑分布數(shù)據(jù)，更加精細(xì)化的溢油浮射擴散過程以及流動環(huán)境中大粒徑油滴脫離浮射流后輸移擴散過程尚未得到充分考慮。這也意味著現(xiàn)有水下溢油浮射流數(shù)值模型仍須結(jié)合更加精細(xì)的油滴粒徑分布實驗數(shù)據(jù)進一步驗證和改進，以提高模擬預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)語

本研究嘗試通過物理模擬實驗和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式，初步探析不同流動環(huán)境中水下溢油浮射流的輸移擴散特征。開展的主要工作包括：應(yīng)用自制的組合式環(huán)形水槽，以原油（阿曼原油與消油劑混合物）和淡水（含示蹤劑）作為模擬污染物，開展靜水和動水環(huán)境中水下浮射流的物理模擬實驗；應(yīng)用基于拉格朗日積分方法的數(shù)值模型，開展數(shù)值模擬并結(jié)合物理實驗結(jié)果進行比較和分析。

由于實驗裝置和觀測設(shè)備的限制，浮射流實驗過程中非均勻流的實時流場以及油滴粒徑的動態(tài)分布等參數(shù)未能有效獲得，導(dǎo)致模型數(shù)值模擬與實驗觀測的污染物浮射流擴散范圍存在一定的差異。但總體來說，本研究初步獲得的物理模擬實驗和數(shù)值模擬分析結(jié)果可為今后水下溢油物理實驗和數(shù)值模型的改進研究提供有益參考。

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收稿日期： 2 0 2 0 - 0 3 - 1 3；修訂日期： 2 0 2 0 - 1 1 - 2 7

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（ 4 2 0 7 6 2 1 5、4 1 3 0 6 0 9 9） ；國家重點研發(fā)計劃項目（ 2 0 1 8 Y F D 0 9 0 0 6 0 6）.

作者簡介：廖國祥，副研究員，博士，研究方向為海洋溢油數(shù)值模擬與風(fēng)險評估、濱海濕地與海洋自然保護地監(jiān)測評估