围油栏现状与数值模拟研究综述

摘 要：在处理海上溢油事故中，围油栏是一种常用设备。文章介绍了围油栏的发展历程，并对其特性、种类和结构做了较为详尽的综述。结合国内外的研究现状，对今后围油栏数值模拟的方向做出进一步的分析与展望。

关键词：围油栏；数值模拟；海上溢油

1 引言

海上发生石油泄漏事故时，溢油会在海面形成范围很广的油层。一般情况下，首先必须采取措施对溢油进行围控，而围油栏是不可或缺的围控工具。围油栏具有使用便捷、不会造成附加污染等特点，是应对海上溢油事故中最为有效的工具之一。

围油栏的研制始于20世纪30年代或更早一些。最初它仅作为应急设备，主要配备于炼油厂、储油基地等场所。直到上世纪六、七十年代，围油栏才得到人们的重视，被用于防污染工作。随着国内外海上石油泄漏事故频发，围油栏的作用更加凸显，专家、学者对高性能围油栏展开了更深入、更广泛地研制。[1，2]

2 围油栏的特性、种类和结构

在分析围油栏拦油性能时要综合考虑乘波性、滞油性及抗风抗浪性[3]。另外，坚固耐用，使用便捷，方便维修以及海生物不易附着等性能同样重要[4]。

广泛应用的固体浮子式围油栏组成部分有：浮子、配重和裙体。浮子为围油栏提供了浮力。配重的作用是保证裙体能够在水中尽量伸展并尽可能保持垂直。裙体的作用是拦截浮油。

围油栏种类众多，至今尚无统一分类。按浮体结构可分为：充气式围油栏、固体浮子式围油栏和浮沉式围油栏；按使用环境分类，可分为：平静水流围油栏、保护水域围油栏和外海围油栏；按其布置方式可分为：固油栏、扫油板、导油栅和集油器；按使用情况可分为：移动布放型围油栏、永久布放型围油栏和应急型围油栏；按包布材料可分为：橡胶围油栏、PU围油栏、PVC围油栏、网式围油栏和金属或其他材料制成的金属或其他围油栏；按用途可分为：一般用途围油栏和特殊用途围油栏，例如：吸油围油栏、防火围油栏、岸滩式围油栏和堰式围油栏均为特殊用途围油栏[5]。

目前，我国一般按围油栏的使用性能进行分类：普通围油栏（充气式和固体浮子式[6]）和防火围油栏。

对应我国有关部门所采用的围油栏分类，具体类型围油栏的基本结构如下：

（1）充气式围油栏的结构

充气式围油栏上部设有规范的气囊，气囊之间一般互不相通。气囊下面则是围油栏的主体，它是一条内夹纤维的耐油胶带，并在水上和水下形成隔油屏障。充气式围油栏一般每100或200m为一组。

（2）固体浮子式围油栏的结构

固体浮子式围油栏由浮子、裙体、配重、接头、脊绳和柔性段等组件组成，一般每20m一组。围油栏的浮子为PVC包布内夹固体泡沫，浮子之间通过柔性段连接。

（3）防火型围油栏的结构

防火型围油栏由水上耐火部分、水下裙体、配重链、纵向受力件和接头构成。水上耐火部分的浮体采用耐热防锈的高合金结构钢浮体。柔性段采用耐热金属丝网、防火纤维编织布等材料组成，柔性段用螺栓和压板与浮子连接。水下裙体则采用双层高强度织物涂覆优质阻燃橡胶。配重链方面采用镀锌高强链条包覆在橡胶裙体的底部。

Oil Spill Response Catalog为了帮助用户在做溢油应急计划时选择合适的围油栏，对其进行了分类[7]。

Fence boom（栅栏式围油栏）

由自支持或浮体支持的加强件构成的围油栏，没有配重链，随波性能比较差。

Curtain boom （幕式围油栏）

采用充气浮腔作为浮体的围油栏，如压力充气式围油栏和自充气式围油栏。

external tension boom （外张力式围油栏）

通过外张力件和拉索来维持围油栏姿态并承受围油栏拉力的围油栏。

Tidal seal boom （潮间带拦油索）

上部充气、下部注水型式拦油索。适用于潮间带，浮时对称，可坐于沙滩上及伴随潮水起落而不会倾倒。

3 国内外研究现状

在实验基础上进行的研究不仅浪费人力、物力和财力，而且由于实际条件的限制，实验环境无法与海上水文环境相比拟。随着人们对风、浪、流的研究逐渐深入以及计算机应用技术的突飞猛进，人们不再依赖于实验来设计和测试围油栏，而通过数值模拟的方式来研究。

H·M·Brown、C-F.AN和R·H·Goodman等人[8，9，10]模拟了围油栏的拦油失效问题。FANG和SELIM等人[11，12，13]模拟了风浪流作用下围油栏的拦油效果；FANG等人模拟实际海域固体栏板拦油效果，探讨了波浪、水流对界面波的影响。在风海流的影响下，传统结构的围油栏在海况较差时不能发挥应有的作用，而一味地增加栏深，水流和波浪会导致围油栏发生形变。为此，J·M·Lo、K·H·Kang和Cho N·S等人提出了双体围油栏结构，并用拉格朗日粒子追踪法验证出双体围油栏栏间距为8倍左右栏深时，其拦油效果较好。

林建国等人对围油栏内不均匀溢油迁移扩散问题进行了解析求解，并通过FLUENT模拟了水平均匀流作用下围油栏夹带使用失效、流失失效和临界累积失效模式，对围油栏也进行了简化且未考虑波浪的影响。张承懿等人对波流作用下围油栏有效深度的研究填补了我国关于波流作用下的围油栏相关研究的空白。

魏芳使用VOF方法，模拟了传统单体实心围油栏的拦油失效过程，并在此基础上对其形状进行优化，得到18种不同类型的围油栏。在边界条件相同的情况下，对优化的围油栏分别进行了数值模拟。王绪胜等人对传统型围油栏拦油失效的原因进行分析，提出了新型结构——具有导流层结构的围油栏，并利用Fluent进行了数值模拟。孙添虎进行了多相流（气-液-液）的数值模拟，具体分析研究了网-栅结构围油栏高度、底网长度、拦网孔隙率等对拦油效果的影响。针对不同的海况，王建伟实现了围油栏在受船舶牵引状态下的随动模拟，为不同结构围油栏的优化选择提供了依据。endprint

4 结束语

近年来，国内海上溢油事故频发，包括渤海湾溢油在内的众多事故给国家和沿海居民造成了巨大的损失。在今后的研究中，应继续加大对不同结构围油栏尤其是高性能围油栏在三维数值实验平台下进行更贴近真实海况的数值模拟计算，这将为改进围油栏技术提供理论依据。

参考文献

[1]魏芳，林建国，许颖.围油栏研制的历史、现状及数值模拟的应用展望[C].船舶防污染学术年会论文集，2006.

[2]魏芳，刘晓峰，林建国，等.围油栏性能优化的数值模拟[J].交通环保，2007，7：39-44.

[3]任海舟.针织物抗油污染整理研究[J].针织工业，1998.

[4]许祖美.日本的海洋污染防治技术[J].海洋环境科学，1986.

[5]Oebius， H.u. Physical properties and processes that influence the clean-up of oil spills in the marine environment. Spill Science & Technology Bulletin，1999， 5（3-4）：177-289.

[6]凌晓光.胜利埕岛油田如何布设围油栏回收溢油方法中的溢油回收率[J].西南民族大学学报：自然科学版，2003.

[7]Oil Spill Response Catalog. World catalog of oil spill response products， 2005.

[8]H.M.Brown， R.H.Goodman， C-F.AN， & J.Bittner， Boom Failure Mechanisms： Comparison of Channel Experiments with Computer Modelling Results， Spill Science& Technology Bulletin， Vol.3， No.4， pp.217-220， 1996

[9]R.H.Goodman， H.M.Brown， C-F.AN，&R.D.Rowe， Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics， Spill Science&Technology Bulletin， Vo1.3.No.4. pp.213-216， 1996

[10]C-F.AN， H.M.Brown， R.H.Goodman，&E.Clavelle， Animation of Boom Failure Processes， Spill Science & Technology Bulletin， Vo1.3.No.4， pp.22I-224， 1996

[11]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： I： Numerical Model. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 222-227.

[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者简介：曹莹（1988，2-），男，籍贯：江苏泰兴，硕士，研究方向：船舶辅机。endprint

4 结束语

近年来，国内海上溢油事故频发，包括渤海湾溢油在内的众多事故给国家和沿海居民造成了巨大的损失。在今后的研究中，应继续加大对不同结构围油栏尤其是高性能围油栏在三维数值实验平台下进行更贴近真实海况的数值模拟计算，这将为改进围油栏技术提供理论依据。

参考文献

[1]魏芳，林建国，许颖.围油栏研制的历史、现状及数值模拟的应用展望[C].船舶防污染学术年会论文集，2006.

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[11]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： I： Numerical Model. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 222-227.

[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者简介：曹莹（1988，2-），男，籍贯：江苏泰兴，硕士，研究方向：船舶辅机。endprint

4 结束语

近年来，国内海上溢油事故频发，包括渤海湾溢油在内的众多事故给国家和沿海居民造成了巨大的损失。在今后的研究中，应继续加大对不同结构围油栏尤其是高性能围油栏在三维数值实验平台下进行更贴近真实海况的数值模拟计算，这将为改进围油栏技术提供理论依据。

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[9]R.H.Goodman， H.M.Brown， C-F.AN，&R.D.Rowe， Dynamic Modeling of Oil Boom Failure Using Computational Fluid Dynamics， Spill Science&Technology Bulletin， Vo1.3.No.4. pp.213-216， 1996

[10]C-F.AN， H.M.Brown， R.H.Goodman，&E.Clavelle， Animation of Boom Failure Processes， Spill Science & Technology Bulletin， Vo1.3.No.4， pp.22I-224， 1996

[11]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： I： Numerical Model. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 222-227.

[12]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： II： Waves. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August：228-233.

[13]F. Fang， A，J.Johnston. Oil Containment by Boom in Waves and Wind： III： Containment Failure. Journal of Waterway， Port， Coastal， and Ocean Engineering. 2001， Vo1.127，No.4 July/August： 234-239.

作者简介：曹莹（1988，2-），男，籍贯：江苏泰兴，硕士，研究方向：船舶辅机。endprint