近年来,海上石油勘探和开发活动迅速发展,在石油的开采、储藏、运输过程中,都有可能发生溢油事故,给海洋生物和环境带来严重的危害,同时引起一定的经济损失。另外,海上溢油会经历复杂的物理化学变化,包括蒸发、溶解、乳化、扩散、光学氧化和生物降解等,使溢油性质发生改变,从而影响溢油漂移规律。尤其是在有冰海域,溢油漂移受到冰的限制与影响,溢油漂移范围更难预测,使得对溢油事故的回收处理更为困难。本文针对冰区溢油漂移规律和数值模拟方法进行研究。<br/>In recent years, with the rapid development of offshore oil exploration activities, oil spill accident can occur in the process of oil extraction, storage and transportation, which is seriously harm to marine species and environment and causes economic losses. In addition, oil will experience com-plex physical and chemical changes, including evaporation, dissolution, emulsification, and spreading, oxidation and biological degradation. These progresses change the nature of the oil spill, and influence oil spill drift pattern. Especially in sea with ice existing, oil spill drifting is affected by the restrictions of ice, which make it more difficult to predict oil drift trajectory. Therefore, it is more difficult for oil spill recovery processing. In this paper, oil spill drift rule and numerical simulation method in water with ice covered were studied.
宋梦然1,袁光奇2,黄焱1
1天津大学建筑工程学院,天津
2大连船舶重工集团设计研究所有限公司,辽宁 大连
收稿日期:2016年3月5日;录用日期:2016年3月22日;发布日期:2016年3月28日
近年来,海上石油勘探和开发活动迅速发展,在石油的开采、储藏、运输过程中,都有可能发生溢油事故,给海洋生物和环境带来严重的危害,同时引起一定的经济损失。另外,海上溢油会经历复杂的物理化学变化,包括蒸发、溶解、乳化、扩散、光学氧化和生物降解等,使溢油性质发生改变,从而影响溢油漂移规律。尤其是在有冰海域,溢油漂移受到冰的限制与影响,溢油漂移范围更难预测,使得对溢油事故的回收处理更为困难。本文针对冰区溢油漂移规律和数值模拟方法进行研究。
关键词 :冰区溢油,油膜漂移,数值模拟
近年来,随着全球海上石油开发、储运的日益增长,发生重大海上溢油事故的风险随之增加。2010年美国墨西哥湾漏油事件在国际上影响深远,时至今日,依然让人历历在目。2011年渤海蓬莱19-3油田的持续性溢油事故(如图1),对我国的经济和环境都造成了不同程度的损害。
溢油的风化过程和漂移运动本就是十分复杂的过程,海冰的存在使其更加复杂。溢油发生后溢油受到扩散、蒸发、溶解、乳化、光学氧化和生物降解等风化过程的控制,已在另一篇文章进行了讨论。对溢油风化过程和漂移运动的理解是建立溢油模型和溢油应急响应模型的关键 [
二十世纪开始,国内外研究学者对冰区溢油问题进行了实验室试验和现场试验来观察溢油的漂移过程。Abascal et al. (2010) [
溢油模型的作用是预测溢油发生后油向哪里漂移,这需要通过洋流信息、风、波浪和其他环境数据作为输入条件而完成 [
我国虽地处热带、亚热带和温带,但我国的渤海和黄海北部,因地理位置偏北,冬季受西伯利亚南下冷空气的直接影响,每年都有不同程度的结冰现象,并会发生大面积浮冰漂移现象,如图2所示。
图1. 渤海蓬莱19-3油田溢油事故现场
图2. 浮冰漂移现象
海冰漂移模式由动量方程、连续方程和热力增长函数组成。动量方程根据能量守恒原理决定冰的漂移和形变 [
通过对实验室试验和现场试验的观察,发现冰的存在显著影响溢油漂移轨迹。连续冰排下的溢油漂移轨迹与冰盖下表面的粗糙度、溢油的物理性质和水流与冰的相对速度有关。一般来说,粗糙度较大的冰盖下的油膜相对于冰静止;对于粗糙度较小的冰盖下的油膜,当相对流速达到15~20 cm/s时,油膜会产生一个顺流向相对于冰盖的速度 [
溢油发生在有冰海域时,使得溢油问题更加复杂的另一个原因是比开阔水域增加了冰这一相,成为油、冰、水三相混合多相流流动。目前有两种数值计算的方法处理多相流:欧拉–拉格朗日方法和欧拉–欧拉方法。
· 欧拉–拉格朗日方法
在Fluent中的拉格朗日离散相模型遵循欧拉–拉格朗日方法。流体相被处理为连续相,直接求解纳维–斯托克斯方程,而离散相是通过计算流场中大量的粒子,气泡或是液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。该模型的一个基本假设是,作为离散的第二相的体积比率应很低,粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的,它们被安排在流相计算的指定的间隙完成。
· 欧拉–欧拉方法
在欧拉–欧拉方法中,不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的体积无法再被其他相占有,故此引入相体积率(phasic volume fraction)的概念。体积率是时间和空间的连续函数,各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程,这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系,从而能使上述方程封闭,另外,对于小颗粒流(granular flows),则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。
溢油漂移模型需要模拟油膜在冰表面扩散、平流运动、传播过程,同时还要考虑蒸发、分解,乳化等风化过程对油膜特性的影响。对于输入信息需要提前在数据库保存地理数据和油特性数据。溢油发生后,将溢油位置,持续时间,油量,气象信息输入到模型中。另外运用水动力子模型在计算溢油漂移前进行为其提供需要的数据信息。风场信息可以从确定的资料获得,或者从风玫瑰图获得。水流的信息基于自由表面水动力模型获得,可以得到平均流速场和湍流模型中垂直分散率。
溢油分为五个相互作用的部分:表面油滴,表面连续油膜,水中油滴,水中油膜,海岸线油。油膜运动被风和流引起的水平流动和湍流扩散控制,溢油漂移同时发生风化过程。因此油膜漂移速度是表面流速和风速的组合 [
发生在冰覆盖海域的溢油事故,溢油会发生复杂的物理化学性质变化和漂移轨迹。目前对溢油漂移轨迹均以溢油风化模式和当下主流溢油模式为基础,但这两种模式在油-冰漂移进程中均不存在。国内外已经进行的相关研究,对溢油在冰区的漂移过程进行了试验观测,并根据数据库信息预测溢油漂移轨迹,但是很少有完全把溢油在冰区中由于风化过程发生的性质变化作为漂移模型的输入信息。然而,溢油发生的物理化学性质十分复杂,因此,需要通过对油-冰相互作用机理的研究,把握溢油特性,在进行油-冰-水多相态流体理论分析研究的基础上,结合水动力模型建立溢油漂移轨迹模型,预测油膜在冰场中的流动情况。
宋梦然,袁光奇,黄 焱. 冰区溢油漂移及数值模拟方法研究综述Research Summary of Oil Transport and Numerical Simulation Methods of Oil Spill in Ice Covered Water[J]. 海洋科学前沿, 2016, 03(01): 6-10. http://dx.doi.org/10.12677/AMS.2016.31002