海底管线溢油输移过程的数值模拟

摘要

由于全球对石油能源需求量逐日递增和海上勘探、开采规模不断扩大，海上溢油事故，包括油轮倾覆、海底井喷、输油管道渗漏等屡见不鲜，对海洋生态环境的影响是恶劣且难以消除的。在溢油事故的预测和应急处理研究过程中，除卫星、雷达以及微波等遥感技术的监测预报以外，计算机模拟以其强大的数据处理能力，对相关因素的综合考虑，在溢油事故应急行动中发挥着日益重要的作用。在溢油事故的预测和应急处理研究中，以往注意力多集中在海底管道破坏或油田的井喷造成的大量溢油的情况。本文重点关注海底管道出现破裂等问题而产生蠕孔溢油的水下运动轨迹和影响范围。此类溢油由于其隐蔽性和长期性也会造成较严重的后果。本文基于CFD通用软件FLUENT，采用标准k-ε紊流模型，基于压力的求解器(Pressure-Based Solver)和压力速度耦合的PISO算法，采用VOF追踪相界面，考虑了纯流和纯波作用，建立了二维的海底管线微孔溢油数值模型。
　　本文在纯横向水流环境下，给出了溢油水下运动轨迹数值结果，和前人实验值吻合较好。引入无量纲密度弗劳德数Fr0和溢油出口速率与流体流动速率的比值R0来探讨影响溢油输运过程的因素。比较了Fr0和R0值不同时，溢油初期上升的高度，产生的涡旋，溢油轨迹的弯曲，油体水下漂移距离，浮上水面的位置和时间等变化情况。由分析知当溢油流速和周围水流流速相差不大，油品较重时，溢油上浮到海面时间更长，污染范围更广，寻找、封堵溢油口和清理油污的工作量及难度加大。在纯波浪环境下，模拟了不同波陡kA的波浪环境和静水环境溢油的水下运动形态、流场和水面输运情况。发现静水中溢油在靠近水面前油柱几乎垂直上升，到达水面附近油前端才略有摆动，同时随溢油上浮有对称涡旋现象。油在水面关于溢油口对称输运。而波浪环境中溢油轨迹从开始的垂直上浮很快变为呈S型摆动上升，且随油运动产生的涡旋场更加复杂，溢油在水面的输运也不再关于溢油口对称。波陡kA越大，溢油柱越早受到扰动，轨迹摆动幅度越大，对称涡旋情形越难维持。引入溢油在水面输运影响范围的概念和指标f来表征不同波陡k对溢油水面输运相对于溢油口的非对称性的影响，数据分析后表明波陡kA越大，波浪非线性越强，溢油的影响范围越向右偏移，即溢油顺波方向的输运越强。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 海面溢油模拟

1．2．2 水下溢油模拟

1．3 本文主要研究内容

2 软件介绍

2．1 GAMBIT

2．2 FLUENT

2．3 动网格技术

2．4 UDF

2．5 多相流模型

2．6 本章小结

3 二维纯流环境下海底管线溢油数值模拟

3．1 模型建立

3．1．1 控制方程

3．1．2 实际问题简化与网格划分

3．1．3 边界条件

3．1．4 方程离散化

3．1．5 离散格式

3．1．6 数值求解

3．1．7 VOF界面附近插值

3．2 模型验证

3．2．1 射流类型简介

3．2．2 衡量参数Fr0和R0

3．2．3 计算结果验证与分析

3．3 模型应用

3．3．1 不同速率比R0的影响

3．3．2 不同Fr0的影响

3．4 本章小结

4 二维波浪环境下海底管线溢油数值模拟

4．1 数值造波与消波

4．1．1 推板式造波

4．1．2 消波

4．2 数值水槽建立与网格划分

4．3 线性波模拟

4．4 波浪对海底管线溢油特性的影响

4．4．1 静水和波浪环境中溢油输运特性比较

4．4．2 不同波陡参数对溢油输运特性的影晌

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢