摘要：為應對湍急海面溢油回收難度大問題，設計了自誘導漩渦收油器進行溢油收集，通過數(shù)值仿真計算對該設備入流角度和插入深度進行適當?shù)恼{整和優(yōu)化，找到最佳入流角度和插入深度組合，以達到最佳的分離效果和油相收集效率。通過比較相同時間內設備內部的油相體積剩余情況，得出在20°的入流角度和設備高度三分之一的吸油管插入深度的條件下，該設備能夠保持較高的油相分離效率，抑制油水混合，減少油水界面的擴散并減少雜質的混入。在確定最佳結構后，通過改變入流速度來確定設備在不同水面環(huán)境下的除油效果。結果表明，入口流速越大，設備匯聚油相的性能更強，除油效果越好。整個收油過程在設備內部進行，不受外部環(huán)境影響，說明該設備能夠克服復雜的水面環(huán)境來進行收油作業(yè)。

關鍵詞：油相分離；誘導漩渦；參數(shù)優(yōu)選；數(shù)值模擬；油相分布

中圖分類號：TH-9文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2024）06-0012-10

隨著能源和海洋運輸需求的不斷增長，海上溢油事故發(fā)生的可能性也隨之增加[1-2]。海上石油開采或海洋運輸一旦發(fā)生泄露事故，會對海洋環(huán)境造成嚴重危害，并且還會造成人員傷亡、資源浪費以及經(jīng)濟損失[3-5]。

為了盡可能減小溢油事故造成的不良影響，研究者們探索出多種方法進行溢油回收，主要包括物理[6-7]、化學[8-11]和生物方法[12-13]。其中，化學和生物方法均存在能耗高、處理量小、適用性差等缺點[8，14]，而物理方法進行溢油回收具有成本低、重復利用率高、適用性強等特點，得到廣泛運用[15]。物理方法主要包括撇油器[16-17]、堰式收油機[18-19]、轉盤式收油機[20-21]等。目前，很多收油設備需要巨大的功耗，并且在復雜水面環(huán)境中，去除的可能是油水混合物，都不利于提高去除效率和降低儲存成本[1，22]。

在有旋流流動的水面環(huán)境中，會產生油相在旋渦附近匯聚的現(xiàn)象，這種運動現(xiàn)象可以為溢油回收提供新的方法，對復雜海面環(huán)境下進行溢油回收的行為進行研究有重要實際意義。通過利用導流板、設置切向入口可以有效誘導產生旋流[23-24]，自誘導漩渦收油器通過入口處的擋板誘導產生旋流，旋流將油相匯聚到旋渦中心，通過中心處的吸油管進行抽取，進而在低功耗的前提下達到除油的目的，另外，整個除油過程在設備內部進行，很大程度避免了設備外部的海水波動帶來的干擾。

1漩渦收油設備及分離原理

自誘導漩渦收油器通過螺旋狀的導板誘導旋流，如圖1所示，自誘導漩渦收油器的結構主要包括圓柱形的外壁，外壁上鑲嵌4個浮力材料，內部由螺旋型的導板和入口處的邊緣相連接，在圓柱形的外壁的中心位置插入一根高度可以變化的吸油管，管的頂端連接泵。

在本文中，通過計算流體力學對自誘導漩渦收油器的結構參數(shù)進行優(yōu)選，確定最佳結構后進一步利用計算流體力學對設備的收油性能進行研究。如圖2所示，首先對裝置的入流角度進行結構優(yōu)選，通過改變入流角度，檢驗該裝置在不同入流角度下對油相的匯聚能力，入流角度分布為0°、10°、20°和30°。在確定導板的安裝角度后，進一步通過改變裝置中心位置的吸油管插入深度來衡量對于匯聚的油相的收集效率，如圖3所示，吸油管的插入深度分別為設備高度的1/4、1/3和1/2。

自誘導旋渦收油器的導板由3部分組成，以入流角度為0°的導板為例，該導板的俯視形狀如圖4所示，該導板的整體形狀可以分解為3部分，分別為一個3/4圓（圓1）、一個1/2圓（圓2）和一條線段，其中圓1的右側端點與圓2的右側端點相連，兩點處的切線相重合。線段與圓2的左側端點相連接，通過與圓2在該點處切向的夾角確定入流角度。3/4圓的直徑為400 mm，1/2圓的直徑為800 mm，線段的長度取決于與圓2的左側端點與該設備入口的距離，當入流角為0°時，該線段長540 mm。該形狀的導板由3 mm厚度的鋼板制成，導板的高為1 450 mm。該裝置的吸油管是一根金屬直管，安裝在該圓柱形裝置的中心軸處，通過與導板連接起到固定的作用，待油相匯集到中心軸處時，便于及時的收集。收油管的長度分別為360 mm（h/4）、480 mm（h/3）和720 mm（h/2）。

在利用自誘導漩渦收油器進行收油工作時，外部的油水混合物在入口處流入后，如圖5所示，由于導板的導流作用，改變了油水混合物的流動路徑，使其圍繞著導板流動。當油水混合物進入到3/4圓（圓1）的導板范圍內，液相逐漸旋轉，以旋轉流動的方式向圓心流動。通過旋流流動，可以將上層的油相匯聚到旋流中心，從而縮小了油相的分布范圍，便于收集。

2模擬設置與驗證

溢油回收模塊大部分處于液面以下，本文主要研究液面處的油品流動特性，因此需要建立自由液面的開放邊界。除去回收模塊所在位置，液面大部分流動較為迅速，所以為探究漩渦收油設備內部流場特性及油水分離性能，開展CFD仿真模擬，將原設備進行簡化，建立流體域，設置寬敞入口以模擬河流種水進入收油機的情況，頂部建立抽油管路，以仿真利用漩渦將油進行匯聚后，利用泵將溢油抽取的過程。

2.1網(wǎng)格劃分

將流體域作為計算域并進行網(wǎng)格劃分，如圖6（a）（b）所示。由于流場中各點的速度方向難以提前預測，尤其是自由液面會隨著流動而出現(xiàn)微小的上下浮動，所以數(shù)值計算中的網(wǎng)格采用了多面體網(wǎng)格劃分方法，進而保證各相交界面的形狀不會出現(xiàn)過大的畸形。為了增加計算的準確性，在模型壁面邊界層區(qū)域進行網(wǎng)格加密，此外，在漩渦附近區(qū)域也進行了局部的網(wǎng)格加密，使液面變形更加接近自然狀態(tài)，如圖6（c）所示。

2.2模擬參數(shù)設置

利用Ansys Fluent軟件進行數(shù)值模擬，入口設置為速度入口，出口設置為自由出口。介質為油水兩相流，連續(xù)相水相的密度為1 028 kg/m3，黏度為0.000 549 Pa·s，離散相油相的密度為859 kg/m3，黏度為0.001 03 Pa·s。模擬中需考慮重力影響，將重力加速度設置為g=9.81 m/s2。切向入口液速分別設為1、3和5 m/s，壁面采用無滑移邊界條件。湍動能及湍流耗散方程都采用二階迎風格式離散，動量方程采用一階迎風格式，壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法，時間步長為1.0×10-3 s。待單相流場穩(wěn)定后，在液面中通過Patch設置進行油膜覆蓋操作，以研究油膜在水相中的特性。湍流計算模型選用雷諾應力模型（Reynolds stress model，RSM），雷諾應力模型能夠模擬強旋流運動，此模型避免了同性的渦黏性假設，適用于高雷諾數(shù)3D湍流場，而且兼顧了計算精確性和復雜性。油水兩相間的模擬采用VOF（volume of fluid） 模型，此模型可以模擬兩種或兩種以上的非混相流體，能夠在整個區(qū)域內跟蹤不同流體的界面，被廣泛應用于模擬多相流體流動過程。

2.3網(wǎng)格無關性與模型驗證

在YOZ平面取直線Z=0.05 m，通過測量該直線的速度以及平均渦量值，以確定最佳網(wǎng)格質量以及計算模型。針對不同的網(wǎng)格水平施以相同的邊界條件進行計算，待收斂后進行網(wǎng)格無關性檢驗。不同網(wǎng)格密度下的速度分布如圖7所示，當網(wǎng)格數(shù)為2.10×106和2.49×106時，兩者對計算結果幾乎無影響。因此，在滿足計算精度要求的前提下，為了節(jié)約計算成本，提高計算效率，將網(wǎng)格數(shù)設置為2.10×106。為了驗證湍流模型準確性和可靠性，將Realizable k-ε Model，Standard k-w Model，Large Eddy Simulation Model（LES）和Reynolds Stress Model （RSM）分別應用到計算中，將計算結果得到的平均渦流進行比較，從而確定準確且經(jīng)濟的計算模型。在圖8中，LES與RSM計算得到的平均渦量值結果相近，但是RSM得到的計算結果與高網(wǎng)格密度下的LES得到的計算結果更加接近，通常，LES模型可用于計算大部分旋渦，并且能夠獲得較好的結果[25]，但是LES模型需要劃分更細的網(wǎng)格。在圖8中，網(wǎng)格數(shù)更少的RSM模型計算得到的平均渦量與高密度網(wǎng)格下的LES計算結果接近，因此為了保證計算結果的準確性和計算的經(jīng)濟性，選用RSM模型。

3結果與討論

3.1不同入流角度對吸油效果的影響

在保持其他結構參數(shù)不變的情況下，對比入流角度為0°、10°、20°、30°時的效果，如圖9所示，當t=0.5 s時，油膜均呈現(xiàn)月牙形，但當入流角度為0°時，相比于其他入流角度，表面剩余的油相較多，表明該入流角度下的匯聚能力較差。在t=1 s后，油相主要存在與擋板之后，表明該位置為收油四角，但由于旋渦的持續(xù)存在，死角內部的油相逐漸被分離出來，但影響了收油效率。

油相體積隨時間的變化如圖10所示，在t=0～0.5 s時，油相處于匯聚階段，收集的量較少。在t=0.5 s之后，不同入流角度下的收油速率的差異逐漸現(xiàn)象，在同一時刻，入流角度為0°時的油相體積減小的量相對其他角度最小。在t=1 s后，入流角度為20°的設備內部的油相體積下降劇烈，表明在該入流角度下，具有較強的匯聚油相的能力。

具有20°的入流角的設備能夠保證足夠的液體流入到由旋流擋板組成的通道內，有效產生旋流，并且在具有較強的匯聚油相的能力的同時，設備內部的除油死角也較少，經(jīng)過相同時間，除油程度也更高。20°的入流角度處于0°到30°之間的中間位置。相對于較小的入流角度（如0°和10°），20°的入流角度可以更好地平衡渦旋的緊密程度和流體的分離效率。它不會過于緊密導致混合不均或渦旋不穩(wěn)定，也不會過于擴散導致分離效果下降。

3.2不同吸油管插入深度對收油效果的影響

對不同插入深度（h/4、h/3、h/2）下的旋流收油過程進行模擬和計算，對設備內的分布情況，如圖11所示，油相匯聚在設備中心位置一段時間之后，分布面積會逐漸減小，表明被吸油管進行抽取分離，確定適合的吸油管插入深度，能夠確保較高的分離效率和油相收集效率，并且適度的插入深度可以減少雜質的混入，并提高設備的能效和操作便利性。

不同吸油管插入深度下油相體積隨時間的變化如圖12所示，當t=0～0.5 s，油相處于匯聚階段，因此油相體積變化較小。在t=0.5 s之后，油相已逐漸匯聚，影響油相體積的主要是油相的抽取速度。對于插入深度為h/3的吸油管，其油相減小的速度最快，表明在該深度下對于油相的抽取效率最高。

當插入深度為h/3時，能夠吸油管處于合適的位置，使其有效接觸到油相，提高收集效率，并減少雜質的混入。而對于較淺的插入深度（如h/4），可能無法充分接觸到油相，導致收集到的油量減少。較深的插入深度（如h/2），可能會捕捉到水相或底部沉積物，影響油相的質量，因此在該設備內將吸油管插入深度設定為h/3。

3.3不同入口流速下對收油效果的影響

選擇20°的入流角度和h/3的吸油管插入深度，能夠保持較高的分離效率，抑制油水混合，減少油水界面的擴散并減少雜質的混入。通過設置不同流速，來衡量不同水面環(huán)境下的收油效果，如圖13所示，當t=1 s時，3組流速下的油膜均變?yōu)樵卵佬?，但入口流速越大，油膜面積越少，表明在相同時間內，增大入口流速有利于更快的進行除油。隨著時間增加，各組流速下的油膜面積持續(xù)減小，當t=4 s時，如圖13（c），入口流速為5 m/s的條件下，上層油膜已基本收集完畢，但在入口流速為1 m/s的條件下，如圖13（a），表面依然存在面積較大的油膜。在整個收油過程中，設備的管壁可以有效的隔絕外界環(huán)境，保持收油過程的穩(wěn)定。

不同入口流速下油相體積隨時間的變化如圖14所示，3組流速下，流速越大，到達吸收閾值的時間越快。此外，在低流速下（1 m/s），設備內部的油相體積一直處于較高水平，在其他流速（3、5 m/s）下油相體積僅剩余0.002 m3時，低流速下（1 m/s）的油相體積依然高達0.009 m3。當流速從3 m/s增加到5 m/s時，達到除油最大值的時間由9.6 s縮短到4 s，表明增大入口流速有利于收油效率的提高。

通過比較不同入口流速下的油相在相同時間的體積分布，得出增大入口流速，可以增加收油效率。在整個收油過程中，外界環(huán)境僅影響入口流速，整個收油過程都在設備內部進行，表明該設備能夠有效避免外界的干擾。并且在流動湍急的水面環(huán)境中，可以促進入口流速的增大，使設備內部更好的誘導旋流，提高收油效率。

4結論

本文利用數(shù)值模擬的方法，先通過改變入流角度檢驗對上層油膜的匯聚能力，又通過改變吸油管插入深度來檢驗對匯聚的油相的去除效率，從而確定該自誘導漩渦收油器的最佳結構設置。之后，通過改變入流速度，來確定在不同環(huán)境下的除油效率，詳細分析研究后得到如下結論：

（1）當入流角度為20°時，相比其他入流角度，能使更多的油相聚集在中心位置，表明該入流角度下對于油相的匯聚能力更好。

（2）通過對比吸油管插入深度，得出當吸油管插入深度為設備高度的1/3時，設備內部的油相在同一時刻剩余最少。

（3）在確定最佳結構后，通過改變入流速度來確定設備在不同水面環(huán)境下的除油效果，結果表明，入口流速越大，除油效果越好。另外，整個收油過程在設備內部進行，不受外部環(huán)境影響，說明該設備能夠克服復雜的水面環(huán)境來進行收油作業(yè)。

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