朱耘志，楊宏偉

（中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，北京 100032）

在能源需求的驅(qū)動(dòng)下，石油開采技術(shù)隨之發(fā)展與進(jìn)步，石油資源的開采逐步由陸地轉(zhuǎn)向海洋，其中，在海洋油氣開發(fā)中，采用管道運(yùn)輸是最為高效開采手段。然而，對(duì)于海底輸油管道而言，復(fù)雜多變的海洋環(huán)境無疑帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，全球范圍內(nèi)的海底輸油管道溢油事故時(shí)有發(fā)生。因此，進(jìn)行海底輸油管道溢油輸移擴(kuò)散特性研究對(duì)海洋油氣開發(fā)事故處理具有重要意義。

目前關(guān)于海底輸油管溢油擴(kuò)散的研究：馬孜豪等研究了溢油孔徑、洋流速度及泄漏速度對(duì)海底輸油管道柴油泄漏的擴(kuò)散特性的影響，結(jié)果表明洋流速度影響泄漏擴(kuò)散的主要因素；Lalith K.Dasanayaka 等對(duì)具有羽流運(yùn)動(dòng)階段和平流擴(kuò)散階段的模型和只有平流擴(kuò)散階段的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了比較； Lindo-Atichati,D研究了溢油油滴尺寸、溢油速率、高壓生物降解和垂直海水流速等對(duì)溢油輸移的影響；Zhu 等對(duì)海底管道溢油擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了海底溢油到達(dá)海面的時(shí)間及最大遷移距離。

綜上可以發(fā)現(xiàn)：目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水下溢油研究已經(jīng)取得大量研究成果，但水深對(duì)泄露輸移擴(kuò)散的影響多見于天然氣管路泄露，且以往研究中多沒有考慮油氣泄露一段時(shí)間后，溢油管段兩端的閥門被關(guān)閉對(duì)溢油速度的影響。本文將采用Euler-Euler 雙流體模型對(duì)海底輸油管道泄露過程進(jìn)行數(shù)值模擬，主要探討海水流速、溢油密度、溢油初速度及水深因素對(duì)溢油輸移擴(kuò)散距離的影響。本文所做研究成果可為溢油事故處置方案的制定提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬過程

1.1 數(shù)值模型

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際建立數(shù)值計(jì)算幾何模型如圖1所示，其中，y 軸對(duì)稱的二維矩形，其水平方向的長(zhǎng)度隨水深進(jìn)行調(diào)整，為 60 m 或 80 m；泄漏口位于底邊長(zhǎng)度的四等分點(diǎn)處，且D=0.06 m。

圖1 幾何模型

對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)泄漏口處進(jìn)行局部加密如圖2所示，最終劃分網(wǎng)格數(shù)量為 252778。

圖2 網(wǎng)格局部加密

設(shè)置模型左側(cè)為洋流速度入口，速度為0.05- 0.25 m/s；右側(cè)為自由出流邊界條件；D 處泄漏口為速度入口邊界條件，并考慮溢油泄露后關(guān)閉閥門進(jìn)行應(yīng)急處置，使得溢油速率非均勻且隨時(shí)間變化，適當(dāng)簡(jiǎn)化后可得溢油速率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，溢油速度通過UDF 進(jìn)行定義。

圖3 溢油速度隨時(shí)間變化曲線

2 結(jié)果分析

如圖4所示為溢油輸移擴(kuò)散過程圖，由圖可見：t=3s 時(shí)，溢油的主干部分幾乎垂直于海底平面，t=15s 時(shí)，溢油主干部分的傾斜程度越來越大，溢流頂部明顯可見漩渦狀流形，t=40s 時(shí)，溢流抵達(dá)水面，并沿水流方向擴(kuò)散，t=46s 時(shí)，由于閥門關(guān)閉，泄露速率降低，溢流主干處出現(xiàn)斷裂。

圖4 溢油擴(kuò)散過程

2.1 海水流速的影響

如圖5所示，當(dāng)溢油密度為780 kg/m，溢流初速度為15m/s，水深為20 m 時(shí)，由于海水流速的增大，使得溢流在水平方向上的速度顯著增大，相同時(shí)間內(nèi)，溢流在水平方向輸移擴(kuò)散的距離也就越遠(yuǎn)。故隨著海水流速的增大，石油到達(dá)水平面后沿著海水方向的輸移擴(kuò)散距離也隨之增大。

圖5 溢油擴(kuò)散距離隨海水流速的變化曲線

2.2 溢油密度的影響

圖6給出了海水流速為0.1 m/s，溢流初速度為15m/s，水深為20 m 時(shí)，溢油擴(kuò)散距離隨溢油密度的變化曲線，由圖可知：隨著溢油密度的增大，溢油在水面上的擴(kuò)散距離隨之減小，這是由于溢油密度越大，溢油擴(kuò)散輸移所需的推動(dòng)力越大，故海水流速不變的條件下，輸移擴(kuò)散的距離越小。

圖6 溢油擴(kuò)散距離隨溢油密度的變化曲線

2.3 溢油初速度的影響

圖7給出了海水流速為0.1 m/s，溢油密度為780 kg/m，水深為20 m 時(shí)，溢油擴(kuò)散距離隨溢油初速度的變化曲線。由圖可知：由于溢流初速度越大，溢油所具有的初始動(dòng)量就越大，油品到達(dá)水面所需的時(shí)間就越短，橫向水流對(duì)油品作用的時(shí)間就越短，從而使得油品沿海水方向的輸移擴(kuò)散距離越短，故隨著溢油初速度的增大，溢油輸移擴(kuò)散的距離隨之減小。

圖7 溢油擴(kuò)散距離隨溢油初速度的變化曲線

2.4 水深的影響

圖8所示為海水流速為0.1 m/s，溢油密度為780 kg/m，溢流初速度為15m/s 時(shí)，溢油擴(kuò)散距離隨水深的變化曲線。由圖可見：當(dāng)水深小于35m 時(shí)，隨著水深的增大，溢油輸移擴(kuò)散距離呈緩慢增大，而當(dāng)水深大于35m 時(shí)，輸移擴(kuò)散距離急劇增大。這是由于水深增大使得溢油到達(dá)水面的時(shí)間延長(zhǎng)，海水作用時(shí)間更長(zhǎng)，溢油擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，當(dāng)水深足夠深時(shí)，由圖8可知，溢油時(shí)間超過40s 后，溢油初始速度大幅降低，溢流所受到的推動(dòng)能也大幅降低，進(jìn)一步增大溢油到達(dá)水面的時(shí)間，這也使得輸移擴(kuò)散距離進(jìn)一步增大。

圖8 溢油擴(kuò)散距離隨水深的變化曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)不同工況下海底輸油管道溢油擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并探討海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深因素對(duì)溢油輸移擴(kuò)散距離影響行為。結(jié)論如下：

海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深均會(huì)影響溢油擴(kuò)散距離，其中，海水流速的影響尤為顯著。此外，海水流速越大、溢油的密度越小、溢油初速度越小、水深越深，溢油輸移擴(kuò)散距離越大。